Nozioni di base di ingegneria delle macchine agricole: droni agricoli - Progettazione della cellula per irrorazione e monitoraggio della crescita

Il termine "drone agricolo" in realtà raggruppa due tipologie di velivoli con caratteristiche molto diverse. Il primo è il drone irroratore, che trasporta materiali come pesticidi, fertilizzanti e sementi e li distribuisce sul campo. Il secondo è il drone di rilevamento, che misura la riflettanza nella luce visibile e nel vicino infrarosso per monitorare lo stato di crescita delle colture e individuare eventuali segni di malattie in una determinata area. Nel primo caso, le prestazioni sono determinate dalla capacità di carico utile e dalla progettazione del sistema pompa/ugello; nel secondo, dalle caratteristiche spettrali del sensore e dal software di pianificazione ed elaborazione del volo. Questo articolo tratta i due sistemi separatamente e si conclude con una panoramica della normativa giapponese in materia di volo. Salvo diversa indicazione, le specifiche del prodotto e le informazioni normative si basano sulle informazioni pubbliche dei produttori e sui documenti governativi confermati al 4 settembre 2026.

Un drone irroratore in volo

Immagine: Agricultural drone in uso su una risaia vicino a Nisoshi, Aomori (Benlisquare, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons. Non si tratta di un modello specifico come il DJI Agras T50 discusso nel testo, ma di un esempio rappresentativo di un drone agricolo che irrora sopra una risaia.

Riepilogo di 30 secondi

• I droni agricoli si distinguono in droni irroratori, che trasportano materiali, e droni di rilevamento, che misurano le condizioni di crescita. Sia le prestazioni richieste che i parametri di valutazione differiscono.

• La capacità di un drone irroratore viene valutata in base alla capacità del serbatoio (carico utile), alla portata di irrorazione della pompa/degli ugelli e all'area copribile per unità di tempo (efficienza). Il DJI Agras T50 può trasportare fino a 50 kg di granuli o 40 litri di liquido e dichiara una capacità di irrorazione fino a 21 ettari all'ora in condizioni favorevoli.

• I droni di rilevamento utilizzano la differenza di riflettanza tra il vicino infrarosso (NIR) e il rosso visibile (Rosso) per calcolare l'NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), utilizzato per rilevare la disomogeneità di crescita e lo stress della vegetazione in una determinata area.

• L'irrorazione aerea di pesticidi in Giappone rientra nella categoria del "lancio di oggetti" ai sensi della Legge sull'Aviazione Civile. Tuttavia, una nota del MLIT del giugno 2026 prevede anche una procedura che non richiede l'approvazione per il metodo di volo, a condizione che vengano rispettate specifiche condizioni di sicurezza. Gli operatori devono consultare DIPS2.0 e il manuale standard vigente per il velivolo, la località e la modalità di volo, e seguire le specifiche linee guida di sicurezza per elicotteri e multirotori senza pilota.

• Le categorie di volo dei droni includono "volo a vista con pilota", "volo automatico a vista", "volo oltre la linea di vista su aree disabitate" (suddiviso in Livello 3/3.5 a seconda che sia richiesto un assistente) e "volo oltre la linea di vista su aree popolate" (Livello 4); l'irrorazione di pesticidi, nella maggior parte dei casi, si basa su operazioni a vista (Livello 2).

• Per le nuove domande di autorizzazione/approvazione di Categoria II presentate a partire dal 1° ottobre 2025, un velivolo con un peso totale pari o superiore a 25 kg deve essere dotato di assicurazione di responsabilità civile verso terzi e la relativa copertura deve essere indicata nella domanda. Questo non deve essere interpretato come un requisito generalizzato per ogni volo; verificare la categoria di domanda e lo standard di valutazione vigente.

1. Configurazione del drone irroratore: serbatoio, pompa, ugelli

2. Differenze tra irrorazione di granuli e irrorazione di liquidi

Quando si distribuiscono fertilizzanti o pesticidi granulari, si utilizza un trasportatore centrifugo o a coclea per disperdere i granuli, il che richiede un sistema di trasporto e dosaggio diverso rispetto all'irrorazione di liquidi. La variabilità delle dimensioni dei granuli, del peso specifico e della fluidità presenta le stesse problematiche di uno spandiconcime, e le considerazioni sulla distribuzione su tutto il campo sono trattate nell'articolo sulle seminatrici e sui fertilizzanti. Il concetto di NDVI (applicatori) si applica direttamente anche ai droni. Nell'irrorazione di liquidi, la dimensione delle gocce può essere regolata tramite la forma dell'orifizio dell'ugello, la pressione e la rotazione: più fine è la goccia, migliore è l'adesione, ma maggiore è anche il rischio di deriva. Per questo motivo, la gestione delle condizioni meteorologiche come la velocità del vento, la temperatura e l'umidità è ancora più importante per i droni rispetto alle attrezzature di irrorazione terrestri.

3. Droni di rilevamento e NDVI

Figura: Creata da Duskcoil. I valori NDVI effettivi variano in base alla coltura, alla fase di crescita e alle condizioni di acquisizione delle immagini.

L'NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) è un indicatore calcolato a partire dalla riflettanza nel vicino infrarosso \mathrm{NIR} e dalla riflettanza nel rosso visibile \mathrm{Red} come

Le foglie di una pianta sana assorbono fortemente la luce rossa visibile utilizzata nella fotosintesi, mentre, grazie alla struttura cellulare, riflettono fortemente la luce nel vicino infrarosso. Con il progredire di una crescita stentata, stress idrico o malattie, questa differenza nel modello di riflettanza si riduce e il valore NDVI diminuisce. Il DJI P4 Multispectral è dotato di un sistema di telecamere multispettrali che combina una telecamera RGB e cinque sensori a banda stretta, tra cui quelli per il bordo rosso e il vicino infrarosso, e consente di verificare l'output NDVI in tempo reale nell'app di pianificazione del volo. DJI annuncia il drone "P4 MULTISPECTRAL" dotato di telecamera multispettrale che consente l'analisi della crescita, ecc. Sono stati inoltre messi in pratica kit di sensori NDVI installabili su droni per riprese aeree esistenti, come quelli di Sentera. Serie di sensori NDVI Sentera

L'NDVI non è un indicatore universale. Anche per lo stesso campo, i valori fluttuano in base all'ora di acquisizione, all'elevazione solare, alla copertura nuvolosa e all'area di terreno esposta, quindi è più realistico analizzare le variazioni nel tempo rilevate nelle stesse condizioni, o la relativa disomogeneità all'interno del campo, piuttosto che confrontare semplicemente i valori assoluti con quelli di altri campi o altri giorni. Il valore di un drone di rilevamento risiede nella possibilità di effettuare una prima analisi preliminare, individuando anomalie di crescita "rapidamente e su vasta scala", mentre la diagnosi finale o la decisione di intervento devono essere integrate con una conferma sul campo.

4. Legge giapponese sull'aviazione civile e struttura normativa per l'irrorazione aerea di pesticidi

L'irrorazione aerea di pesticidi o fertilizzanti con un drone rientra nella categoria del "lancio di oggetti" ai sensi della Legge sull'aviazione civile. Nel giugno 2026, il Ministero del Territorio, delle Infrastrutture e dei Trasporti (MLIT) ha pubblicato un avviso e un manuale standard che possono rendere superflua l'approvazione per la modalità di volo qualora vengano soddisfatte specifiche condizioni di sicurezza. La necessità di un'autorizzazione dipende dal tipo di aeromobile, dalla località, dalla modalità di volo e dalle misure di controllo degli accessi, pertanto gli operatori dovrebbero consultare il DIPS2.0 e la documentazione aeronautica più recente. Il Ministero dell'Agricoltura, delle Foreste e della Pesca pubblica anche linee guida separate per l'irrorazione aerea. Procedura di autorizzazione/approvazione del volo MLIT Informazioni del MAFF sull'irrorazione aerea

Inoltre, il Ministero del Territorio, delle Infrastrutture, dei Trasporti e del Turismo classifica le modalità di volo dei droni in "livelli di volo": Livello 1, in cui il pilota opera direttamente entro il campo visivo; Livello 2, volo automatico/autonomo entro il campo visivo; Livello 3, volo oltre il campo visivo su aree disabitate; Livello 3.5, istituito di recente nel dicembre 2023, che in determinate condizioni elimina la necessità di un assistente, di segnaletica o di soste temporanee durante il volo oltre il campo visivo su aree disabitate; e Livello 4, volo oltre il campo visivo su aree popolate. Le operazioni di irrorazione a corto raggio, come l'applicazione di pesticidi, rientrano, nella maggior parte dei casi, nel Livello 2. Il consiglio pubblico-privato del Ministero dell'Agricoltura, delle Foreste e della Pesca sta inoltre promuovendo l'utilizzo di droni per il volo oltre la linea di vista (oltre la linea di vista) su aree disabitate senza operatore a bordo (Livello 3), ad esempio per il pattugliamento dei campi, nel settore agricolo. Ministero dell'Agricoltura, delle Foreste e della Pesca: Consiglio pubblico-privato per l'ampliamento dell'adozione di droni agricoli

Sono state inoltre rafforzate le norme di sicurezza. Per le nuove domande di autorizzazione/approvazione di Categoria II presentate a partire dal 1° ottobre 2025, i velivoli con un peso totale pari o superiore a 25 kg devono essere dotati di assicurazione di responsabilità civile verso terzi e indicarne la copertura nella domanda. Gli operatori devono inoltre verificare la Legge sul divieto di volo dei piccoli velivoli senza pilota e le altre normative applicabili.

5. Consultare esempi di prodotti attuali

Sensore NDVI Sentera | Rilevamento (kit di retrofit) | Si aggiunge a una cellula esistente, consentendo l'acquisizione simultanea dell'NDVI insieme alla telecamera ottica | Sensori Sentera |

I droni irroratori e i droni di rilevamento differiscono non solo per il ruolo, ma anche per la certificazione e la struttura operativa richieste. I droni irroratori gestiscono liquidi e carichi pesanti, quindi la certificazione della cellula, l'abilità del pilota e la gestione di un piano di irrorazione sono prerequisiti, mentre un drone di rilevamento leggero può spesso offrire il massimo valore con il solo volo a vista. Quando si considera l'adozione, è importante non raggruppare i due come un'unica categoria di "droni agricoli" per poterli confrontare.

6. Precisione e insidie

L'irregolarità di applicazione di un drone irroratore deriva non solo dalla deriva causata dal vento, ma anche dall'intasamento o dall'usura degli ugelli, dalle variazioni di velocità di volo dovute al livello di batteria rimanente e dalle variazioni di altitudine causate dalle ondulazioni del terreno. Anche con un'elevata precisione di volo stazionario e di traiettoria RTK, se lo schema di irrorazione è irregolare, la quantità di prodotto applicato sul campo rimane disomogenea. Per i droni di rilevamento, trascurare la correzione della riflettanza tramite un pannello di calibrazione fa sì che i valori NDVI fluttuino ogni volta che cambiano le condizioni di illuminazione, compromettendo l'affidabilità del confronto delle serie temporali. In entrambi i casi d'uso, la "precisione di posizionamento" e la "precisione di irrorazione/misurazione" di una macchina sono due aspetti distinti, ed entrambi devono essere verificati.

Riepilogo

Un drone agricolo è un termine collettivo che indica velivoli progettati secondo due diverse filosofie: una macchina irroratrice che trasporta materiali e una macchina di rilevamento che misura la crescita. Il valore di un drone irroratore è determinato dalla capacità del serbatoio, dalla portata della pompa e dal carico di lavoro effettivo; il valore di un drone di rilevamento è determinato dalle caratteristiche spettrali e dalla progettazione del confronto delle serie temporali. In Giappone, le operazioni di irrorazione aerea si basano su molteplici livelli normativi: autorizzazione/approvazione ai sensi della Legge sull'Aviazione Civile, linee guida per l'irrorazione aerea di pesticidi, classificazione del livello di volo e assicurazione obbligatoria. Questa comprensione istituzionale, e non solo le specifiche della cellula, è un prerequisito per l'adozione.