[論文レビュー] Review on Application of Drone in Spraying Pesticides and Fertilizers

Sane Souvanhnakhoomman|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2024

Smart Agriculture and AI参考文献 16被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、ドローンを用いた農業用農薬および肥料散布の応用をレビューし、GPS、Arduino や ArduPilot などのコントローラー、およびスプレー装置を装備した無人航空機（UAV）を用いた自動的で正確かつ安全な散布を強調している。ドローンを用いた散布は、化学物質への人的な露出を低減し、散布効率を向上させ、リアルタイムでの監視を可能にし、人的労働、水、化学薬品の使用量に20–90%の削減が報告されている。

ABSTRACT

In today's agriculture, there are far too many innovations involved. One of the emerging technologies is pesticide spraying using drones. Manual pesticide spraying has a number of negative consequences for the people who are involved in the spraying operation. The result of exposure symptoms can include minor skin inflammation and birth abnormalities, tumors, genetic modifications, nerve and blood diseases, endocrinal interference, coma or death. However, Drone can be used to automate fertilizer application, pesticide spraying, and field tracking. This paper provides a concise overview of the use of drones for field inspection and pesticide spraying. displays different methodologies and controllers of agriculture drone and explains some essential Drone Hardware, Software elements and applications

研究の動機と目的

• 農業における人間の健康リスクを低減するため、ドローンを用いた農薬および肥料散布の自動化の役割を評価すること。
• 農業用散布作業に適した、さまざまなドローンの構造、コントローラー、およびハードウェア・ソフトウェアの構成を分析すること。
• 実際の散布応用における、さまざまなドローンシステムの効率性、積載容量、運用持続時間の評価。
• 散布の正確性とカバー範囲を最適化するための主要な技術的構成要素（GPS、フライトコントローラー、スプレー nozzles など）の特定。
• 滴下分布、スワシス幅、化学薬品の効率性に関する研究結果を要約し、精密農業の導入を支援すること。

提案手法

• Scopus、Web of Science、Google Scholar の系統的文献レビューを実施し、ドローン、散布、農業に関連するキーワードを用いた。
• ブレードレスモーター搭載のクアッドコプターおよびヘキサコプターを含むドローンプラットフォームを評価。LiPo バッテリーおよび Arduino Uno や ArduPilotMega などのフライトコントローラーを用いた。
• 液体および固体素材の両方に対応するユニバーサルスプレーユニットを用いたスプレー装置を分析。調整可能なノズルおよび圧力ポンプを装備。
• RF送信機、Bluetooth、スマートフォン統合（例：Android アプリによるクアッドコプター制御）を用いたリアルタイム制御メカニズムをレビュー。
• 環境モニタリングおよび自律走行を可能にするセンサー統合（例：LDR、MQ6、LM35、MPU-6050）を評価。
• 積載容量（最大 5.5L）、飛行持続時間（最大 16 分）、滴下サイズおよび分布の均一性などの性能指標を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クアッドコプターとヘキサコプターの異なるドローン構成（例：クアッドコプター対ヘキサコプター）は、農業用の散布効率および安定性にどのように影響するか？
• RQ2 ドローンを用いた正確で自動化された農薬および肥料散布を実現するための、主なハードウェアおよびソフトウェア構成要素は何か？
• RQ3 人的な散布と比較して、ドローンを用いた散布は、化学薬品使用量、人的労働、健康リスクの観点でどのように異なるか？
• RQ4 GPS、フライトコントローラー、リアルタイムセンサーは、農業用ドローンの正確性および自律性をどのように向上させるか？
• RQ5 UAV を用いた散布システムでは、どの程度の改善が、散布の均一性、滴下沈着、カバー幅に見られるか？

主な発見

• ドローンを用いた散布は、皮膚の炎症、腫瘍、遺伝的損傷などのリスクを伴う有害な農薬への人的な露出を低減する。
• ドローンの使用により、正確で自動化された散布により、人的労働、水、化学薬品の使用量に20–90%の削減が見込まれる。
• Arduino Uno および Atmega328 コントローラーを搭載したクアッドコプターは、1 kg の積載容量と16分の飛行持続時間で安定した性能を示した。
• ミニノズルおよび圧力ポンプを用いたスプレー装置は、GPS による誘導飛行経路と組み合わせることで、滴下の均一性およびカバー範囲が向上した。
• 研究では、飛行高度と木の葉のカーテン構造が滴下沈着に顕著な影響を及ぼすことが示されており、最適な結果は作物から3–5メートルの高さで得られた。
• MQ6（ガス用）、LDR（光用）、MPU-6050（IMU）などのセンサー統合により、リアルタイムでの環境モニタリングおよび適応的散布制御が可能になった。