Diseño de una plataforma móvil para la pulverización de
productos fitosanitarios en invernaderos
F. Rodríguez, J. Sánchez-Hermosilla(1),
A. Sánchez(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
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
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.
 |
| Parte trasera |
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 artículo.
3.-DISEÑO DE LA PLATAFORMA MÓVIL
3.1. Diseño mecánico
Los criterios más importantes que se han tenido en cuenta en
Es necesario disponer de una plataforma móvil con la anchura suficiente para poder desplazarse entre las líneas 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
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 así el número 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
típico 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 mínimo (anchura del vehículo) y el sistema presenta una gran maniobrabilidad.
 |
| Bastidor |
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, así
como la unión de los distintos elementos que forman parte del equipo (motor, baterías,
orugas, etc.).
 |
| Parte delantera |
Además, está dotado de unas guías en la parte superior que permiten el
acoplamiento del sistema de pulverización, así como el de cualquier otro equipo que disponga de los elementos de unión apropiados. De esta forma se consigue disponer de
una plataforma polivalente para
trabajos en invernadero implementando
las herramientas adecuadas.
Por otra parte, también se ha adaptado la plataforma a la morfología 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.
3.2.
Sistema sensorial
 |
| Parte lateral del Fitorobot |
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, así 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 líneas de cultivo y mantenga una trayectoria recta.
Además, se instalaron a una altura suficiente (30-40 cm) para
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).
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 del caudal, 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, sólo 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 típico 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 ahí recorrerá todos los pasillos secundarios de forma autónoma. El sistema de control presenta una arquitectura jerárquica típica 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 anómalas 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
condiciones
de los
invernaderos mediterráneos, que permite
desplazarse entre
las
líneas
de cultivo para
realizar
aplicaciones fitosanitarias
mediante el
empleo
de
una
barra pulverizadora
vertical.
 |
| La robótica permitirá en un futuro no muy lejano que las tareas típicas en un invernadero, se hagan de forma totalmente automatizada |
Los resultados previos correspondientes al sistema de navegación y el control de la pulverización han permitido realizar una distribución de productos fitosanitarios
más racional reduciendo la cantidad de plaguicidas utilizados, y
los riegos medioambientales, además de no afectar a la salud de los operadores.
4. Agradecimientos.
Los autores agradecen a la
CICYT por
su
financiación en
el marco
del proyecto
AGL2002-00982.
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