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martes, 4 de agosto de 2015

FITOROBOT


Diseño de una plataforma móvil para la pulverización de productos fitosanitarios en invernaderos

        F. Rodríguez, J. Sánchez-Hermosilla(1), A. nchez(1), M. Berenguel, J.L. Guzmán

       Departamento de Lenguajes y Computación, Universidad de Almería, Ctra. Sacramento s/n, E-04120, Almería, España, frrodrig@ual.es

     (1) Departamento de Ingeniería Rural, Universidad de Almería

       1.- RESUMEN.
       La  utilización  de  productos  químicos  para  el  control  de
 los  daños  en  cultivos  bajo invernadero producidos por plagas y enfermedades, se realiza actualmente por un operario que maneja una pistola de pulverización.

        Este método no es efectivo para el cultivo además de ser perjudicial para la salud del operario. En este artículo se presenta el diseño de una plataforma móvil autónoma adaptada a las condiciones de los cultivos bajo invernadero del Sudeste de España.

     Se describe el prototipo desarrollado, incluyendo el diseño mecánico y el sistema sensorial necesario para realizar las tareas de pulverización, así como el sistema de control y navegación para el desplazamiento en el interior de invernaderos.

      2.- INTRODUCCIÓN

      El control de las plagas y las enfermedades de los cultivos es normalmente 
a altas presiones.

       Este método provoca pobres resultados en la eficacia de los tratamientos, obligando a utilizar gran cantidad de producto con el riesgo medioambiental y para la salud de los operarios que ello conlleva, además del alto coste que ocasiona.

     Por tanto, se hace necesario tanto el desarrollo de nuevas técnicas y sistemas de aplicación que mejoren la deposición en el cultivo y disminuyan las pérdidas, como la utilización de vehículos móviles autónomos que permitan llevar a cabo este proceso sin la intervención del operador humano.

      De hecho, existen distintos trabajos relacionados con este
Parte trasera
campo. En este artículo se describe un robot móvil, denominado “Fitorobot”· para tareas de fumigación, orientado a solucionar el problema de navegación en invernadero haciendo uso de un sistema de pulverización comercial.

      Existen sistemas para fumigación basados en guiado inductivo. Estos sistemas presentan el problema de la pulverización a presión constante, lo que no garantiza la uniformidad de la deposición del producto fitosanitario.



       También existen otras experiencias de sistemas autónomos orientados a la pulverización de árboles, en los que se utilizan sensores de ultrasonidos para regular la presión en  función de  la  masa vegetal presente, pero  a  velocidad constante de  la plataforma  móvil.

        En  la  Universidad  de  Almería,  se  está  desarrollado  un  sistema autónomo de aplicación de fitosanitarios que resuelva estos dos problemas. Por una parte, el control de pulverización variable haciendo uso del sistema descrito en la figura [4], y por otra, el diseño de la plataforma móvil autónoma que lo transporta y que se describe en el presente arculo.

          3.-DISEÑO DE LA PLATAFORMA MÓVIL

         3.1. Diseño mecánico

        Los criterios más importantes que se han tenido en cuenta en
el diseño de la plataforma móvil, sobre la que se adaptará el equipo de aplicación de productos fitosanitarios, son los siguientes:

       Es necesario disponer de una plataforma móvil con la anchura suficiente para poder desplazarse entre las neas de cultivo (entre 80 y 90 cm.), es decir entre 60 y 70 cm.

       El  vehículo debe proporcionar movilidad en terrenos muy sueltos, propios de los enarenados utilizados en la mayor parte de los invernaderos del Sudeste de España.

      Debe reducir la compactación del suelo, ya que este es uno de los efectos negativos de la rodadura de los vehículos sobre el terreno agrícola, que en ocasiones puede llegar a formar una
capa compactada a una profundidad variable (normalmente entre 15 y 25 cm), lo que dificulta el buen desarrollo de las plantas. Este efecto se aprecia aún más cuanto más suelto y medo se encuentre el terreno.

          La plataforma debe moverse en espacios reducidos, por lo que debe poseer una elevada maniobrabilidad, reduciendo al máximo el radio de giro.

         Debe ser capaz de pulverizar aproximadamente una hectárea de forma continua ya que es la superficie media de los invernaderos de esta zona, reduciendo ael mero de contactos de los operarios con el producto fitosanitario (solamente cuando tengan que llenar el depósito).

        Por tanto, es necesario disponer de un depósito de 400 l.

       El vehículo debe  poder alcanzar cualquier velocidad dentro de un rango establecido (0-2 m/s), por lo que debe disponer de un sistema de transmisión versátil.

      En base a estas consideraciones, se optó por la instalación de un sistema de cadenas en lugar de uno de ruedas ya que presenta una serie de ventajas frente a las ruedas, como pueden ser una mayor maniobrabilidad, mayor capacidad de tracción, buena estabilidad, mejor aprovechamiento de la potencia que llega al eje, menores pérdidas de potencia por  rodadura,  y  menor  compactación  del  terreno.  

     En  referencia  a  esta  última característica, se realizó un estudio teórico de la presión sobre la superficie del suelo pico de los invernaderos, estudiando el efecto de un prototipo de unos 700 kg. provisto de diferentes sistemas de rodadura (4 y 6 ruedas, respectivamente, y cadenas de goma), y comparándolo además con la presión ejercida por el ser humano.

        Tal y como se puede apreciar en la figura 1, la presión de compactación sobre el suelo por efecto de las cadenas  es  aproximadamente  tres  veces  menor  que  el  provocado  por  un  sistema compuesto de 4 ruedas (0,28 bar de las cadenas frente a 0,83 bar de los 4 neumáticos) y dos veces menor en comparación con un sistema de 6 ruedas (0,28 bar frente a 0,56 bar de los 6 neumáticos).




      La solución adoptada ha consistido en la adaptación de una carretilla comercial, con unas dimensiones comprendidas entre 0,6 y 0,8 m. de ancho y 1,2 y 1,7 m. de largo, apoyada sobre orugas de caucho.

     Para su accionamiento se ha diseñado un sistema de transmisión  hidrostático  compuesto  por  dos  bombas  de  caudal  variable,  unidas solidariamente, que mueven dos motores que se encargan del desplazamiento de las cadenas, y que se controlan mediante dos electroválvulas proporcionales.

      Las bombas reciben el movimiento de un motor de combustión interna de 614 cm3  y 14,7 kW de potencia, con el que se puede obtener una velocidad máxima de 2,9 m/s. La tracción diferencial del vehículo permite girar el equipo frenando la oruga situada en la zona interior de la trayectoria. Así, el radio de giro es nimo (anchura del vehículo) y el sistema presenta una gran maniobrabilidad.

    
Bastidor
   L
a necesidad de disponer un sistema de transmisión hidrostático, a como dotar al equipo de un sistema de pulverización, obligó al diseño de un nuevo bastidor distinto del que disponía la carretilla inicialmente.

        Tal diseño se ha llevado a cabo empleando la herramienta informática de diseño mecánico CATIA, que ha permitido realizar un análisis estático del prototipo basado en elementos finitos, tal y como se puede observar.

      Está formado por láminas de acero de 6 mm de espesor, que permite el acople y el asiento de todos los elementos que configuran el sistema de transmisión, acomo la unión de los distintos elementos que forman parte del equipo (motor, baterías,
Parte delantera
orugas, etc.).

      Además, está dotado de unas guías en la parte superior que permiten el acoplamiento del sistema de pulverización, a como el de cualquier otro equipo que disponga de los elementos de unión apropiados. De esta forma se consigue disponer de una   plataform polivalent par trabajos   e invernader implementando   las herramientas adecuadas.

           Por otra parte, también se ha adaptado la plataforma a lmorfología previamente establecida (minimizando volúmenes y pesos,  y  optimizando la  disposición de  los elementos) utilizando esta misma herramienta, como se muestra en la figura, en la que también se observa el sistema de pulverización.
       
Éste está constituido por un depósito de 400  l.,  dos  barras  verticales  de  tratamiento  paralelas,  una  electroválvula  de  dos posiciones  que  permite  activar  o  desactivar  la  pulverización,  una  electroválvula proporcional para controlar la presión de salida, y sensores de presión y caudal para cerrar el bucle de control. La figura 4 muestra los elementos fundamentales de la plataforma móvil y del sistema de pulverización, a como la relación entre ellos.

       3.2. Sistema sensorial

   
Parte lateral del Fitorobot
   El subsistema sensorial está constituido por dos conjuntos de sensores: uno para el sistema de pulverización y otro sistema de control de velocidad y posición.

       En lo que se refiere a la sensorización de la plataforma móvil que proporciona información, se han instalado los siguientes grupos de sensores:

      Sistema odométrico consistente en dos codificadores incrementales que miden la posición y la velocidad de giro de los ejes de las orugas, a como su sentido.

      Debido a que el sistema anterior puede acumular errores, se ha instalado una brújula electrónica  que  ofrece  una  referencia  absoluta  de  la  orientación  del  robot  con respecto al polo norte magnético terrestre en un determinado plano.

     Sensores ultrasónicos (sónares) que permiten detectar cualquier obstáculo que se interponga frente al robot y su posicionamiento en el pasillo donde se esté realizando la pulverización.

      Se han situado dos sónares de media distancia (40-300 cm) en la parte delantera y trasera del vehículo, y otros dos sonares de corta distancia (15-100 cm) en ambos lados para conseguir que quede equidistante de las neas de cultivo y mantenga una trayectoria recta.

     Además, se instalaron a una altura suficiente (30-40 cm) para
que el sensor detecte el follaje de las plantas (por encima de los tallos).

    Se ha instalado un sensor de velocidad por efecto Doppler (rádar) para estimar la velocidad real de trabajo y el probable deslizamiento de las orugas.

     Para la detección de choques se han instalado ocho sensores fin de carrera de varillas por motivos de seguridad (dos en el frontal, dos en la trasera y dos en cada lateral).
    
El objetivo principal que se persigue en el diseño del sistema de aplicación de productos fitosanitarios consiste en, permitir la pulverización de un determinado volumen de producto fitosanitario por hectárea controlando las diferentes variables que afectan al proceso.

      Una forma de modificar el caudal consiste en el control de la presión ya que se encuentran  directamente  relacionados.  Se  ha  optado  por  controlar  la  presión  y mantenerla fija, en lugar decaudal, para que las condiciones de pulverización se mantengan  constantes  (fundamentalmente el  tamaño  de  gota),  por  lo  que  para  el subsistema sensorial de pulverización se ha instalado un sensor de presión para cerrar este bucle de control.


    Por otra parte y, lo por información, se ha instalado también un sensor  de  caudal  para  comprobar  que  se  cumplen  las  condiciones  ideales  de  la pulverización y poder justificar la utilización del control de volumen (qué es lo que realmente interesa) mediante un control de presión. Evidentemente, en el desarrollo final, esté último sensor no habría que incluirlo en el sistema.

        3.3. Sistema de control

       En la primera fase del proyecto, para ensayo de distintos algoritmos de navegación, se ha  optado  por  un  computador  industrial  de  propósito  general  que  debido  a  su arquitectura permite realizar este tipo de tareas fácilmente.

     Se trata de una arquitectura reactiva donde la información del entorno es adquirida mediante sensores de forma que la plataforma sea capaz de navegar en un entorno no estructurado y desconocido en parte.
Invernadero con pasillos

    De esta forma, podrá desplazarse por la estructura de un invernadero pico del Sudeste  de  España,  que  consiste  en  un  pasillo  principal  al  que  se  conectan perpendicularmente los pasillos secundarios donde se encuentran las plantas.

      Mediante teleoperación con joysticks (en la misma plataforma y vía radio), el usuario deberá situar al robot al principio del pasillo principal y a partir de a recorrerá todos los pasillos secundarios de forma autónoma. El sistema de control presenta una arquitectura jerárquica pica de cuatro niveles:

         1.- El generador de trayectorias de referencia calcula la posición y velocidad que debe seguir el centro de gravedad de la plataforma en el siguiente instante de tiempo, con el fin de cumplir una tarea determinada por el usuario.

         A partir de esta información, el controlador de trayectoria genera 2.-la velocidad de referencia que debe tener cada oruga en cada instante.

        En la capa inferior de esta arquitectura, se encuentran los reguladores de velocidad de cada una de las orugas para alcanzar la consigna que le indica la capa superior.

        La  capa  superior  la  forma  el  controlador  de  movimiento  que  a  partir  de  la información de los sensores internos del robot (codificadores, orientación, etc.) y de los que proporcionan información sobre el entorno (sónares, contacto, etc.), indica al 3.-generador de trayectorias que debe modificar la trayectoria (posición y velocidad) que ha fijado al principio de la tarea debido a la aparición de situaciones amalas tales como presencia de obstáculos o mal funcionamiento de algún sistema del robot.

       Por  otra  parte  y  como  se  comentó  anteriormente,  existe  otro  sistema  de  control integrado y acoplado con el descrito anteriormente, que es el encargado del 4.-control de pulverización.

      Este sistema se divide en dos etapas, una primera donde se genera la consigna de presión en función de la velocidad del vehículo y del volumen a fumigar deseado, y otra que se encarga de hacer llegar la presión de salida al valor de la consigna óptima



         4. RESULTADOS

      Se  ha  desarrollado  un  vehículo,  adaptado  a  las  
La robótica permitirá en un futuro no muy lejano que las tareas típicas en un invernadero,
se hagan de forma totalmente automatizada
condiciones  de  los  invernaderos mediterráneos,  que  permite  desplazarse  entre  las  neas  de  cultivo  para  realizar aplicaciones  fitosanitarias  mediante  el  empleo  de  una  barra  pulverizadora  vertical.

      Los resultados previos correspondientes al sistema de navegación y el control de la pulverización han permitido realizar una distribución de productos fitosanitarios má raciona reduciendo   l cantida de   plaguicida utilizados,    los   riegos medioambientales, además de no afectar a la salud de los operadores.


4. Agradecimientos.

Los  autoreagradecen  a  la  CICYT por  su  financiación en  el  marco  del  proyecto
AGL2002-00982.


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