Automação de Processos Agrícolas

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS

Departamento de Engenharia Mecânica

Núcleo de Ensino e Pesquisa em Automação e

Simulação - NEPAS

Rafael Vieira de Sousa1

1 Engenheiro Eletrônico, Msc Eng. Mecânica, Dr. Eng. Mecânica

“Agronegócio”

“Automação Agrícola”

“ISOBUS”

“Robôs Móveis Agrícolas”

• O Brasil possui a maior área “agriculturável” do planeta (cerca

de 20% da área mundial);

• 62% da território nacional apresenta potencialidade agrícola,

porém são utilizados entre 10% e 20% apenas;

• Possuímos o potencial para aumentar a área plantada de 57

milhões para 90 milhões de hectares sem desmatamento de

novas áreas;

• O Brasil possui a maior reserva de água doce do planeta

(~12%).

O Brasil e a Agricultura ________________

• Agronegócio: agricultura integrada ao setor industrial

(agroindústria) e ao setor de serviços;

• “...a soma total das operações

- de produção e distribuição de suprimentos agrícolas;

- de produção nas unidades agrícolas;

- e o armazenamento, processamento e distribuição dos

produtos agrícolas e ítens produzidos com eles...”

(DAVIS, J. H. & GOLDBERG, R.A. A concept of Agribusiness.

Harvard University, 1957);

Definição ____________________________

• Antes da Porteira: insumos e máquinas;

• Núcleo - Agropecuária: produtos de origem vegetal, animal, florestal, agroindústria rural (na propriedade) e pesca;

• Depois da Porteira: agroindústria e serviços;

- atividades exclusivas: celulose e papel, beneficiamento de produtos vegetais, abate de animais e indústrias do café, do açúcar, de laticínios;

- atividades parciais: borracha, mobiliário, elementos químicos, vestuário, calçados;

As 3 Componetes Agronegócio _________

• O Agronegócio é responsável por ~30% do PIB, ~25% dos empregos e ~35% das exportações do País;

• Maior produtor mundial: café, soja, feijão, milho, fumo, frutas cítricas, carne bovina, frango, entre outros;

• Maior produtor e exportador mundial após industrialização:

açúcar, álcool, suco de laranja, complexo soja, couro

(agregação de valor);

• Outros: frutas, cacau, laticínios, madeira, mandioca, cachaça;

“A Conferência das Nações Unidas para o Comércio e Desenvolvimento (Unctad) prevê que o Brasil será o maior

país agrícola do mundo em dez anos” (2004)

Destaques da Produção Nacional ______

• Biotecnologia: utilização de seres ou organismos

vivos para o estudo e o desenvolvimento de produtos,

processos ou técnicas com o objetivos sociais (ex.

produção de vinho e cerveja, bactérias, melhoramento

genético, trangênicos).

• Agricultura de Precisão: utilização de tecnologias para

inferir a variabilidade espacial e temporal, e definir

manejo diferenciado de solo, insumos e culturas. Busca

a otimização na utilização dos insumos agrícolas e o uso

racional da terra, com conseqüente redução de custos e

impactos ambientais.

Tecnologias Atuais ________________

“Agronegócio”

“Automação Agrícola”

“ISOBUS”

“Robôs Móveis Agrícolas”

Agricultura de Precisão ________________

Coleta de dados (sensores da máquina e agronômicos);

Transferência, armazenamento e processamento de dados

(computadores e softwares);

Controle de implemento (atuação);

Sensores ____________________________

GSP: DGPS & RTK-GPS _______________

Receptor Móvel

Receptor Fixo

(Xf Yf Zf)

xm ym zm t (10 m)

xf yf zf t Ex Ey Ez

(Diferencial) 20 cm

Ex Ey Ez (RTK - Cinemático)

2 cm

Tomada de Decisão ___________________

VRT (Variable Rate Technology) ________

Tecnologias aplicada a máquinas agrícolas para permitir a

aplicação controlada de insumos (fertilização e pulverização) ou

o controle de plantio (espaçamento e quantidade de sementes);

Aplicação On-The-GO: sensoriamento, processamento (tomada

de decisão) e atuação durante o movimento da máquina;

Sensor (WeedSeeker, GreenSeeker - NTech)

Válvulas

Guiagem Autônoma ___________________

Tecnologias aplicada a máquinas agrícolas para permitir a

navegação mais precisa através de sistema autônomos ou semi-

autônomos (viabilização de VRT, trabalho noturno, plantio);

- Semi-autônoma: GPS (DGPS ou RTK-GPS) + lightbar;

- Autônoma: GPS (DGPS ou RTK-GPS) + sistema inercial

(giroscópio, bússola) + odometria;

Fieldbus ____________________________

Transdutores Digitais Inteligentes

Computador industrial / CLP

Dispositivos atuadores

Terminal de

supervisão e controle Radio de

telemetria e telecomando

Dispositivos sensores

Dispositivos

convencionais

Rede de dispositivos para automação que compartilham um

único meio de comunicação de dados;

CAN (Controller Area Network) _________

Comunicação de dados utilizando dois fios, o que reduz o custo e

complexidade da implementação física, e promove proteção à

interferências eletromagnéticas;

Tamanho de dados por quadro otimizado, que permite a transmissão de

dados comuns a dispositivos de sistemas de controle, com pequeno tempo

de ociosidade para cada dispositivo;

Utilização de um método de arbitragem para acesso ao meio para

transmissão de dados que evita colisões e permite uma resposta rápida à

necessidade de transmissão;

Possibilidade de implementação de rede com comunicação ponto-a-

ponto (entre dois dispositivos), por multidifusão (de um dispositivo para um

grupo de dispositivos) ou por difusão (de um para todos dispositivos);

Mecanismos de identificação de erros e de tolerância a faltas que

permitem a implementação de redes bastante robustas;

Flexibilidade para adição, remoção e mudança de dispositivos;

CAN & Chão de Fábrica ________________

Terminal

Win-PC UNIX

ROBOT ROBOT

Rede de Controle

CAN / DeviceNet

Rede de Informação

Ethernet, TCP/IP, PPP, FTP

PLC

CAN & Redes Embarcadas _____________

CANaerospace

Small Aircraft Transportation System

ISO 11783

Hurricane VHDL CAN Core

Smart-1 (Europe Space Agency)

NMEA2000 SAEJ1939

M3S

Automóveis

“Agronegócio”

“Automação Agrícola”

“ISOBUS”

“Robôs Móveis Agrícolas”

Sistemas Centralizados ____________

• Padronização do Sistemas Mecânicos

• Padronização dos Sistemas Hidráulicos

• Padronização dos Sistemas Eletrônicos ??

ISO 11783 – Conceitos ____________

“ O propósito da ISO 11783 é prover um padrão aberto para

interconexão de sistemas eletrônicos embarcáveis em máquinas e

implementos agrícolas e florestais ”.

“ ISOBUS é o nome atribuído pela Industria aos sistemas

compatíveis com a ISO11783 ”.

ISO 11783 – ISOBUS _____________

Parte 2

Parte 3

Terminal

Virtual

Parte 6

ECU de

Implemento Sensores

ECU de

Implemento Atuadores

ECU de

Implemento Controlador

GPS / SI Parte 7

Parte 4

Parte 5

NIU ECU Motor

ECU Freio

ECU Transmissão

Parte 8

Parte 9

ECU

do Trator

Controlador

de Tarefa

Parte 10

ISO 11783 – Documentos ______ Parte 1: Norma geral para comunicação de dados móvel (IS)

Parte 2: Camada física (IS)

Parte 3: Camada de enlace de dados (IS)

Parte 4: Camada de rede (IS)

Parte 5: Gerenciamento de rede (IS)

Parte 6: Terminal virtual (IS)

Parte 7: Mensagens de Implemento (IS)

Parte 8: Definição de mensagens do veículo (IS - Referência J1939)

Parte 9: ECU do trator (IS)

Parte 10: Controlador de tarefas e gerenciamento da troca de dados do sistema

de informação (IS)

Parte 11: Dicionário de dados (IS)

Parte 12: Diagnóstico (IS)

Parte 13: Servidor de arquivo (FDIS)

WD-Working Draft; CD-Committee Draft; DIS-Draft of International Standard; FDIS-Final Draft

of International Standard; IS-International Standard

Modelo OSI (Open Systems

Interconnection) e ISO11783

Modelo Referência OSI

Aplicação

Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace de Dados

Física

CAN BUS

(ISO 11898)

ISO 11783

- ISOBUS -

ISO 11783 – Exemplo de Topologia

Sub-rede com

outro padrão

Controlador

de Tarefas

Terminal

Virtual

Implemento 1

Implemento 2

Trator

ECU

Atuador

Sub-rede não normatizado (outro

padrão)

Barramento ISO 11783

Conector e terminação)

Terminação do barramento

* TDI: Transdutor Digital Inteligente

TDI*

Sensor

TDI*

Atuador

TDI*

Sensor

ECU

GPS

ECU

Motor

ECU

Transmissão

ECU

Freio

ECU

Sensor

ECU

Sensor

ECU

do Trator

ECU

Controlador

NIU

ECU

Sensor ECU

Atuador

Exemplo Aplicação ISOBUS - EMBRAPA

Exemplo Aplicação ISOBUS - EMBRAPA

“Agronegócio”

“Automação Agrícola”

“ISOBUS”

“Robôs Móveis Agrícolas”

Estado da Arte _______________________

Geralmente nos trabalhos de pesquisa utiliza-se:

- Modelos cinemáticos do veículo e sistemas seguidores de

linhas de plantio;

- Sensores - Principal: DGPS (RTK-GSP);

- Outros: odômetros, laser, bússola, giroscópio,

sonar e câmera (tecnologia emergente) ;

- Atuadores: motores DC e sistemas eletro-hidráulicos;

- Fusão de sensores (Filtro de Kalman);

- CAN - Controller Area Network, ISO BUS, LBS;

Resultados Positivos: 5 até 20 cm de precisão;

Mas: sistemas caros e/ou necessidade de ambientes

relativamente estruturados;

Visão de Máquina _____________________

Guiagem autônoma: detecção de linhas de plantio (infra-

vermelho);

Identificação de padrões (doenças, plantas daninhas, deficiência

de nutrientes);

VAA para Múltiplas Tarefas ___________

- Laboratory of Agricultural Vehicle Systems / Faculty of Agriculture

/ Hokkaido University / Sapporo / Japan;

- Capaz de executar diferentes tarefas como aplicação de insumos

e colheita;

- RTK-GPS (Real Time Kinematics GPS) e FOG (Fibre Optical

Gyroscope);

VAA para Tarefa de Plantio ____________

- Department of Agricultural Engineering / University of Illinois /

Urbana / USA;

- Capaz de realizar tarefa de plantio;

- Câmera (desenvolvimentos expressivos em visão – Hough

Transform), RTK-GPS, SNI (giroscópio);

RAM para Controle de Plantas Invasoras _

- Halmstad University / Sweden

- Capaz de executar controle mecânico de plantas invasoras em

ruas de plantação de beterraba (elimina controle químico);

- Câmera (seguir linhas e identificação), motores DC, odômetros,

FK (fusão);

RAM para Aplicação em Taxa Variável ___

- Robotics and Automation Group / Silsoe Research Institute /

Silsoe/ Bedford / UK;

- Veículo autônomo para aplicação em taxa variável;

- Câmera, Odômetros, EF (fusão), GPS somente para tarefas

agronômica ;

RAM com Sistemas Inteligentes _________

- Artificial Perception Group of IAI - CSIC (Agricultural Research

Corporation) / Madrid / Spain;

- Aquitetura robótica baseada em comportamentos;

- Desenvolvimento de diversos comportamentos robóticos (Fuzzy

and NN) para diferentes tarefas (navegação e agronômicas);

RAM com Estrutura Versátil ____________

- Danish Institute of Agricultural Sciences / Denmark;

- Estrutura permite adaptações;

- Guiagem 4x4 - tração e direção;

- Desenvolvido para controle de plantas invasoras;

- RTK-GPS, giroscópio, câmera, CAN-BUS;

AGRIBOT

____________________________

- Embrapa Instrumentação Agropecuária e NEPAS/EESC/USP;

- Estrutura permite adaptações;

- Guiagem 4x4 - tração e direção com sistema hidráulico;

-RTK-GPS, giroscópio, câmera, ISOBUS;

- Empresas envolvidas: JACTO

www.isobus.org.br ____________________

http://www.nepas.eesc.usp.br/roboticaagricola/index.php

’’ OBRIGADO ’’

email: rafael.sousa@gmail.com