Drony w ostatnich latach przeżyły ogromny skok zarówno pod względem rozwoju, jak i również ich komercjalizacji co skutkowało zyskaniem popularności na całym świecie. Zasługują one zdecydowanie na chwilę dłuższej uwagi, dlatego więc ramach wstępu przybliżę historię ich rozwoju na przykładzie marki Dji (Da-Jiang Innovations), która zmieniła na zawsze świat dronów. W roli wyjaśnienia dron jest często definiowany jako bezzałogowy statek powietrzny (UAV, z ang. Unmanned Aerial Vehicle), to latające urządzenie, może być sterowane zdalnie lub latać autonomicznie za pomocą wbudowanych systemów kontroli lotu i nawigacji. Drony różnią się wielkością, kształtem, zdolnościami i celami, dla których zostały zaprojektowane. Zastosowania dronów są niezwykle różnorodne i obejmują fotografowanie i filmowanie z powietrza, inspekcje, monitoring terenów, prace rolnicze, badania naukowe, działania ratunkowe i wojskowe. W swoim arsenale wyposażone są m.in. w stabilizatory obrazu i lotu, kamery o wysokiej rozdzielczości z możliwością transmisji obrazów w czasie rzeczywistym, a także z opcją widzenia termowizyjnego, systemy GPS i sensory unikania przeszkód. Urządzenia naszpikowane wręcz niesamowitą technologią potrafią często mieścić się na dłoni i ważyć poniżej 250 g.
Firma DJI, jest obecnie jednym z wiodących producentów dronów komercyjnych i konsumenckich na świecie. Jej historia rozpoczęła się w 2006 roku w Shenzhen, w Chinach. Założycielem i inicjatorem powstania firmy jest Frank Wang (Wang Tao), który rozpoczął pracę nad swoim projektem dronów jeszcze będąc studentem na Hong Kong University of Science and Technology. Frank Wang okazał się wizjonerem, mając marzenie o stworzeniu najlepszych na świecie bezzałogowych statków powietrznych (dronów) i zrewolucjonizowaniu sposobu, w jaki ludzie postrzegają tą technologię. Jego pasja do lotnictwa i robotyki była napędzana chęcią tworzenia innowacyjnych, dostępnych i wysokiej jakości dronów, które mogłyby być używane zarówno przez entuzjastów, jak i profesjonalistów w różnych dziedzinach. Założenie DJI było kluczowym krokiem w realizacji tego marzenia. Głównymi celami jakimi kierował się Wang obejmowały przyczynianie się do postępu w dziedzinie lotnictwa i technologii, oferując produkty, które łączą zaawansowane rozwiązania techniczne z łatwością użycia. Od początku skupiał się na innowacjach i ciągłym rozwoju, aby osiągnąć cel stworzenia dronów, które nie tylko będą wydajne i niezawodne, ale także dostępne dla szerszej grupy użytkowników. W 2006 roku Wang rozpoczyna budowę prototypów jeszcze w swoim pokoju znajdującym się w akademiku, skupiając się na tworzeniu stabilnych i niezawodnych systemów lotu UAV. W okresie 2008-2010 DJI wypuściło swoje pierwsze produkty, w tym kontrolery lotu, które szybko zyskały popularność wśród amatorów i profesjonalistów zajmujących się modelarstwem lotniczym. W 2013 następuje kolejny przełom, zostaje wprowadzony do sprzedaży model Phantom będący zaawansowanym technologicznie powietrznym statkiem bezzałogowym, posiadającym kamerę. Zdobywa on szybko popularność na rynku, szczególnie wśród entuzjastów fotografii i filmowania. Po 2014 to już czysty przykład kuli śnieżnej, marka napędzana pierwszymi sukcesami kontynuowała rozwój swojej linii produktów, wprowadzając bardziej zaawansowane drony, takie jak seria Inspire, Mavic i Spark, a także rozwiązania dla specjalistycznych zastosowań, w tym do rolnictwa, filmowania, ratownictwa i badań, zyskując uznanie na rynkach międzynarodowych stając się nie zaprzeczalnym liderem wśród producentów dronów. DJI nie tylko produkowało drony, ale również rozwijało technologie, takie jak systemy unikania przeszkód, zaawansowane systemy stabilizacji obrazu i aplikacje mobilne do kontroli i edycji materiałów wideo. Obecnie marka znajduje się również wśród liderów w produkcji gimabali, kamer sportowych będących bezpośrednią konkurencją dla kamer z serii GoPro jak i również posiadając w swojej ofercie urządzenia do nagrywania dźwięku. Obecnie głównymi przedstawicielami dronów tej marki są modele z serii Mini, Mavic, Air, Avata, FPV, Matrice, Agras , Inspire i Enterprise.
Jednocześnie popularność zyskiwały systemy FPV (first person view). Dzięki specjalnym googlom zakładanym na głowę widzimy obraz przekazywany z kamery umieszczonej na dronie, który umożliwia nam widok z pierwszej osoby, tak jakbyśmy to my znajdowali się w przestrzeni powietrznej. Drony te używane są przede wszystkim w celach czerpania przyjemności z nieograniczonych możliwości w ich sterowaniu w powietrzu, nagrywania zapierających dech w piersi ujęć i niestety w celach wojskowych będącym idealnym narzędziem do zwiadu oraz przenoszenia ładunków wybuchowych i precyzyjnego dostarczania ich w docelowe miejsce. Zestaw tego typu składa się z googli do przekazywania obrazu z drona, drona i aparatury. Na cały ten rynek składa się w tym przypadku więcej producentów, w przypadku systemów transmisji obrazu z drona do googli w czasie rzeczywistym obecnie najpopularniejszy jest system DJI O3, sytuacja jednak wygląda inaczej jeśli chodzi o system łączności drona z aparaturą pozwalający nim sterować. Jednym z wiodących systemów jest ExpressLRS (ELRS) będący systemem łączności radiowej o długim zasięgu, zaprojektowany specjalnie dla dronów i innych modeli zdalnie sterowanych. Dzięki swojej wydajności, niezawodności i elastyczności zyskał uznanie i popularność w społeczności związanej z tą tematyką. Jego największym konkurentem obecnie jest system łączności TBS Crossfire. Dzięki znajdującemu się w dronie odbiornikowi ma on możliwość łączenia się z aparaturą sterującą bazująca również na tym samym systemie. Jednymi z wiodących producentów aparatur sterujących jest marka RadioMaster i TBS. Wśród liderów dronów FPV, zapewne nie będzie zaskoczeniem, że wszyscy z nich swoje korzenie mają w Chinach, można tutaj wymienić m.in. marki DJI, BetaFPV, iFlight i GEPRC. Każdy z tych producentów oferuje coś unikalnego dla różnych potrzeb i preferencji użytkowników FPV, od dronów dla początkujących po zaawansowane systemy do wyścigów, freestyle, lotów długodystansowych i tworzenia ujęć przy pomocy profesjonalnych kamer. Wybór odpowiedniego drona FPV zależy od osobistych preferencji, stylu lotu i poziomu doświadczenia pilota.
Po tym dłuższym wprowadzeniu możemy przejść do praktycznego zastosowania dronów w produkcji roślinnej, które jest bardzo szerokie. Na początku należy zwrócić uwagę na możliwość wykorzystania dronów w podstawowym celu w jakim zaczeły być tworzone, a mianowicie możliwości fotografowania i nagrywania obrazu. Prowadzenie gospodarstwa to coraz częściej tworzenie również swojej marki, a uwaga skupiona na tym aspekcie rośnie. Już modele DJI z serii Mini pozwalają nam tworzyć niesamowite ujęcia naszych upraw, co pozwala nam promowanie naszego gospodarstwa na mediach społecznościowych, zyskując bardzo małym nakładem pracy i pieniędzy nowych klientów.
Drony wyposażone w system LiDAR (Light Detection and Ranging) mają możliwość tworzenia dokładnych trójwymiarowych map i modeli środowiska. Odbite impulsy laserowe tworzą gęstą chmurę punktów, reprezentującą powierzchnie obiektów na ziemi. Te punkty są podstawą do tworzenia trójwymiarowych modeli. Mimo że proces tworzenia tych modeli wymaga specjalnego oprogramowania i wiedzy eksperckiej, jest on stosunkowo szybki i pozwala na wytwarzanie kompaktowych, wysokiej jakości map. Różnorodność dostępnych systemów LiDAR pozwala organizacjom na zastąpienie innych metod pomiarowych, takich jak fotogrametria, czy na przeniesienie naziemnych pomiarów LiDAR do przestrzeni powietrznej za pomocą dronów. LiDAR staje się coraz bardziej dostępny, co otwiera możliwości jego zastosowania w nowych branżach i różnorodnych scenariuszach w najbliższych latach, również w produkcji roślinnej. Pozyskując tego typu mapy mamy możliwość dokładnego sprawdzenia ukształtowania terenu co jest szczególnie ważne w przypadku wyznaczania tzw. zastoisk mrozowych, czy obszarów szczególnie narażonych na podtopienie. Pozwala to nam również na efektywniejsze planowanie konstrukcji przeznaczonych do uprawy roślin pod osłonami. Warto jednak zauważyć, że te trójwymiarowe obrazy nie dostarczają szczegółów podobnych do fotografii. LiDAR nie rejestruje kolorów obiektów na ziemi, co oznacza, że takie informacje muszą być pozyskiwane z innych źródeł, na przykład z kamer umieszczonych na dronach. Również drony DJI powszechnie są stosowanie przez np. geodetów do mapowania terenu, bazują one jednak na innych systemach niż LiDAR.
Obecnie drony są coraz bardziej doceniane w wielu dziedzinach ze względu na możliwość przeprowadzania inspekcji i nadzoru na bardzo dużych obszarach, a szczególnie tych trudno dostępnych, bez względu na to czy jest to budowa, duży projekt inżynierzy, lokalizacja stada zwierząt czy ocena szkód spowodowanych przez wystąpienie ekstremalnych zjawisk pogodowych, drony są często optymalnym rozwiązaniem.
Drony DJI z serii Matrice wyposażone są w kamery termowizyjne co daje bardzo duże możliwości szczególnie w leśnictwie i rolnictwie skupionym na hodowli zwierząt. W leśnictwie, drony te mogą być używane do monitorowania dzikich zwierząt, pomagając w ocenie ich populacji, śledzeniu ich migracji, a także w identyfikowaniu zagrożonych gatunków. Dzięki kamerom termowizyjnym, drony pozwalają na obserwację zwierząt w trudno dostępnych obszarach oraz w nocy. Ponadto drony te mogą być używane do patrolowania dużych obszarów leśnych w celu wykrywania i zapobiegania kłusownictwu. Kamera termowizyjna jest szczególnie przydatna w nocy, kiedy większość kłusownictwa ma miejsce. W rolnictwie, drony te mogą być wykorzystywane do monitorowania zdrowia i dobrostanu zwierząt hodowlanych. Można je użyć do szybkiego przeglądania dużych stad, identyfikowania chorych lub rannych zwierząt, a także monitorowania ich zachowania i warunków życia. Ponadto mogą pomóc w zarządzaniu pastwiskami poprzez monitorowanie stanu traw i roślinności, co jest ważne dla utrzymania zdrowego środowiska dla zwierząt hodowlanych. Podobnie jak w przypadku leśnictwa, dzięki dronom możemy wykrywać potencjalnie zagrożenia dla zwierząt hodowlanych, szczególnie w kontekście drapieżników czy nieautoryzowanych działań ludzkich. W badaniach naukowych związanych z leśnictwem i rolnictwem, drony pozwalają na zbieranie danych na temat różnorodności biologicznej, wzorców migracji zwierząt oraz ich interakcji ze środowiskiem. UAV wspierają również zarządzanie zasobami naturalnymi, zapewniając informacje niezbędne do efektywnego planowania wykorzystania terenów leśnych i rolnych, w taki sposób, aby były one zrównoważone i przyjazne dla dzikiej fauny.
Dzięki zastosowaniu zaawansowanych kamer i sensorów w UAV plantatorzy mają możliwość pozyskania fotografii i filmów o wysokiej rozdzielczości wraz z danych multispektralnymi, które pozwalają na zbieranie informacji:
➤ Wskaźniki Wegetacji (np. NDVI, SAVI, NDRE): Te wskaźniki, pochodzące z obrazów multispektralnych, są kluczowe do oceny zdrowia, wigoru i biomasy roślin. NDVI (Znormalizowany Wskaźnik Różnicy Wegetacji) i NDRE (Znormalizowany Wskaźnik Czerwonego Krańca) są szczególnie użyteczne do zrozumienia stanu zdrowia i poziomu stresu roślin. SAVI (Wskaźnik Wegetacji Dostosowany do Gleby) jest pomocny w obszarach z dużym wpływem tła glebowego.
➤ Wykrywanie Stresu Roślin: Wczesne wykrywanie stresu roślin, spowodowanego przez szkodniki, choroby, niedobory składników odżywczych lub stres wodny, jest możliwe dzięki zmianom w sygnaturze spektralnej roślin. Może to prowadzić do bardziej efektywnych i terminowych interwencji.
➤ Zarządzanie Nawadnianiem: Ocena zdrowia roślinności i stanu gleby może pomóc w optymalizacji harmonogramów nawadniania i identyfikacji obszarów, które są niedostatecznie lub nadmiernie nawadniane, co prowadzi do bardziej efektywnego wykorzystania wody.
➤ Prognozowanie Plonów: Dane multispektralne można wykorzystać do szacowania plonów poprzez analizę zdrowia i pokrycia roślin. Pozwala to na lepsze planowanie i alokację zasobów.
➤ Wykrywanie Chwastów: Rozróżniając uprawy od chwastów na podstawie ich sygnatury spektralnej, dron może pomóc w identyfikacji obszarów wymagających kontroli chwastów, wspomagając bardziej ukierunkowane stosowanie herbicydów.
➤ Monitorowanie Fenologii: Śledzenie etapów wzrostu roślin (fenologii) jest kluczowe dla optymalnego czasu nawożenia, nawadniania i zbiorów. Drony zapewniają sposób monitorowania tych etapów na całym polu.
➤ Analiza Zdrowia Gleby: Chociaż pośrednio, dane multispektralne mogą dostarczać wglądu w zdrowie gleby, takie jak obszary erozji, zagęszczenia czy różnice w typach gleby.
➤ Liczenie Roślin i Analiza Rozstawienia: Drony mogą automatyzować proces liczenia roślin i analizowania ich rozstawienia, co jest kluczowe dla szacowania populacji roślin i oceny efektywności sadzenia.
➤ Ocena Szkód: Po katastrofie naturalnej (takiej jak grad czy burza), drony mogą szybko ocenić szkody w uprawach, wspomagając szybką reakcję i procesy ubezpieczeniowe.
➤ Rolnictwo Precyzyjne: Integracja danych z drona z innymi technologiami, takimi jak GPS i GIS, może poprawić praktyki rolnictwa precyzyjnego, umożliwiając wysoce efektywne, miejscowe zarządzanie uprawami.
Wróćmy jednak jeszcze na moment do dronów Dji, które posłużą nam jako główny przykład zastosowania statków bezzałogowych do wykonywania zabiegów środkami ochrony roślin, nawozami i biostymulatorami. Drony DJI z serii Agras to zaawansowane, specjalistyczne urządzenia latające zaprojektowane z myślą o zastosowaniach w rolnictwie. Są one częścią rosnącego trendu wykorzystania technologii dronów w celu zwiększenia wydajności i zrównoważenia praktyk rolniczych. Jednymi z najbardziej zaawansowanych dronów z tej serii są modele T30 i T40. Oba modele posiadają wysoko rozwinięte systemy rozpylania, które pozwalają na efektywne i dokładne aplikowanie płynów, takich jak nawozy czy pestycydy. Systemy te są zaprojektowane do maksymalizacji pokrycia przy jednoczesnym ograniczeniu zużycia środków. System rozpylania umożliwia regulację przepływu cieczy, co pozwala na dostosowanie ilości stosowanego środka w zależności od potrzeb. Technologia atomizacji w tych dronach przekształca płyn w drobne krople, co zwiększa efektywność i jednolitość pokrycia. Drobniejsze krople lepiej przylegają do liści, co zwiększa skuteczność oprysków. Ponadto systemy te są dolne do automatycznego dostosowywania się do prędkości lotu drona i zmieniających się warunków atmosferycznych, co zapewnia równomierne pokrycie niezależnie od zewnętrznych czynników. Wyposażone są one w inteligentne funkcje planowania lotu i nawigacji, co umożliwia automatyczne mapowanie i opryskiwanie dużych obszarów z precyzyjnym pokryciem. W celu zwiększenia bezpieczeństwa ich użytkowania są wyposażone w zaawansowane systemy bezpieczeństwa, w tym czujniki unikania przeszkód, które pomagają w bezpiecznym prowadzeniu zadania w złożonym terenie rolniczym.
Aktualnie jednak oferta statków bezzałogowych przeznaczonych do wykonywania prac w sektorze uprawy roślin jest znacznie bogatsza, warto dlatego wspomnieć o innych producentach tych niezwykłych urządzeń.
XAG, wcześniej znany jako XAircraft, to chińska firma technologiczna, która zyskała reputację jako jeden z wiodących producentów dronów rolniczych na świecie. Została założona w 2007 roku i od tego czasu skupia się na rozwijaniu innowacyjnych rozwiązań dla rolnictwa. Firma ta jest znana z zaawansowanych technologii, które są dostosowane do potrzeb nowoczesnego rolnictwa, z naciskiem na zwiększenie wydajności i zrównoważenie praktyk rolniczych. Drony tego producenta wyposażone są również w zaawansowane systemy rozpylania cieczy roboczej, ponadto stosowane są również do do precyzyjnego siewu. Pozwalają one na dokładne rozmieszczenie nasion w określonych miejscach, co zwiększa wskaźniki kiełkowania i optymalizuje rozmieszczenie roślin. Drony zapewniają szybkie i efektywne rozprowadzanie nasion na dużych obszarach, co jest znacznie bardziej wydajne niż tradycyjne metody. Dzięki wyposażeniu tych UAV w zaawansowane sensory i kamery, mamy możliwość zbierania danych o stanie upraw, w tym informacji o wilgotności, temperaturze i zdrowiu roślin.
Yamaha znana głównie z produkcji motocykli, łodzi i innych pojazdów, zajmuje również istotne miejsce w świecie rolnictwa dzięki swoim bezzałogowym helikopterom. Marka ta jest pionierem w dziedzinie bezzałogowych pojazdów powietrznych dla rolnictwa. Firma rozpoczęła badania nad ich zastosowaniem już w latach 80-tych XX wieku, co czyni ją jednym z najbardziej doświadczonych producentów w tej branży. Firma ta wprowadziła na rynek kilka modeli bezzałogowych helikopterów, które są wykorzystywane głównie w rolnictwie do różnych zadań, takich jak opryskiwanie i monitorowanie upraw. W przeciwieństwie do dronów o napędzie wielośmigłowym, które są bardziej powszechne w rolnictwie, Yamaha postawiła na bezzałogowe helikoptery.
PrecisionHawk (Wielka Brytania), choć mają siedzibę głównie w USA, PrecisionHawk jest również aktywna w Europie. Zajmują się rozwojem dronów i analizą danych dla rolnictwa precyzyjnego.
Firma senseFly (Szwajcaria), część Grupy Parrot, jest znanym producentem dronów, w tym modeli przeznaczonych dla rolnictwa. Oferują drony zdolne do zbierania danych rolniczych, które mogą być używane do mapowania i monitorowania upraw.
Quantum-Systems (Niemcy) produkuje drony VTOL (pionowego startu i lądowania), które są idealne do zastosowań w rolnictwie, w tym do mapowania i monitorowania dużych obszarów upraw.
ABZ Innovation (Węgry) jest wiodącym producentem dronów rolniczych, który skupia się na opracowywaniu innowacyjnych rozwiązań dla rolnictwa precyzyjnego. Producent ten skupia się przede wszystkim na rozwijaniu technologii związanych z opryskiwaniem upraw.
AeroVironment, Inc. (USA), projektuje, rozwija i produkuje zaawansowane produkty i usługi dla agencji rządowych i biznesów, w tym systemy bezzałogowe dla rolnictwa.
Microdrones GmbH (Niemcy) rozwija, produkuje i dostarcza dostosowane i inteligentne rozwiązania dronowe na całym świecie.
Obecnie wykorzystuje się również zdjęcia satelitarne w celu obserwacji przebiegu wegetacji roślinności i jej wilgotności, przykładem wykorzystania w ten sposób technologii jest np. aplikacja ReelView stworzonej przez firmę Rivulis. Zapewne technologia tego typu będzie równolegle rozwijana i udostępniana komercyjne przez więcej firm, co pozwoli na powszechne stosowanie danych satelitarnych i ich analizy przez AI.
Rola sztucznej inteligencji w rozwoju dronów ma dwa jasne cele. Po pierwsze tą ogromną ilość danych musi „coś” analizować, ale żeby te dane były zbierane ktoś tym dronem musi latać, nie będzie więc tu zaskoczeniem, że żaden plantator nie może sobie pozwolić na codzienne wykonywanie lotów w celu zbierania danych po prostu z braku czasu. Więc czy sztuczna inteligencja może sobie poradzić z pilotowaniem UAV ? Oczywiście, że tak, udowodniono to nawet na przykładzie jej najbardziej wymagającej formy pilotażu, czyli dronów FPV. W ostatnim czasie na całym świecie zyskują coraz większą popularność tzw. wyścigi dronów, wymagających niesamowitych umiejętności pilotażu, ponadprzeciętnego refleksu i ogromnego czasu poświęconego na treningi ze strony operatorów UAV. W publikacji naukowej pt. „Champion-level drone racing using deep reinforcement learning”, opublikowanej w 2023 roku przez Kaufmann i in., autorzy podkreślają, że opanowanie umiejętności lotu autonomicznego drona na poziomie zbliżonym do profesjonalnych pilotów jest zadaniem ekstremalnie trudnym, gdyż wymaga od robota wykorzystania pełnego zakresu swoich fizycznych zdolności. Taki dron musi precyzyjnie oceniać swoją prędkość i pozycję w przestrzeni, bazując wyłącznie na danych uzyskanych z zainstalowanych na pokładzie czujników. Naukowcy dzięki opracowaniu autonomicznego systemu Swift, bazującym na głębokim uczeniu się, wzmacnianym przez dane pochodzącymi z świata fizycznego był w stanie wejść na poziom czołowych operatorów dronów wyścigowych na świecie. System Swift sprawdzono w praktyce poprzez wyścig w czasie rzeczywistym z trzema mistrzami, w tym dwóch z nich mogło pochwalić się tytułami mistrzów świata z dwóch międzynarodowych lig. Z każdym z ludzkich operatów udało się wygrać kilka wyścigów, jednocześnie osiągając najszybszy zarejestrowany czas wyścigu. Autorzy publikacji podkreślają, że osiągnięte wyniki to kamień milowy w dziedzinie robotyki mobilnej i inteligencji maszyn, co może się okazać wkrótce inspiracją do tworzenia nowych rozwiązaniach hybrydowych dla których fundamentem będzie uczenie się w systemach fizycznych.
Wdrażanie tego typu rozwiązań z pewnością pomoże w rozwijaniu autonomiczności dronów, które już i bez tej technologii dzięki specjalnym systemom miały możliwości planowania prostych tras przelotu, a dzięki nowym rozwiązaniom mogły by zyskać możliwość poruszania się w bardziej złożony sposób umożliwiający wykonywanie dokładniejszych zadań.