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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