Automação Agrícola

Automação de Processos Agrícolas
Rafael Vieira de Sousa1
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS
Departamento de Engenharia Mecânica
Núcleo de Ensino e Pesquisa em Automação e
Simulação - NEPAS
1
Engenheiro Eletrônico, Msc Eng. Mecânica, Dr. Eng. Mecânica
“Agronegócio”
“Automação Agrícola”
“ISOBUS”
“Robôs Móveis Agrícolas”
O Brasil e a Agricultura ________________
• 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%).
Definição ____________________________
• 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);
As 3 Componetes Agronegócio _________
• 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;
Destaques da Produção Nacional ______
• 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)
Tecnologias Atuais ________________
• 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.
“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 _______________
xf yf zf t
xm ym zm t
(10 m)
Ex Ey Ez
(Diferencial)
20 cm
Receptor
Fixo
(Xf Yf Zf)
Receptor
Ex Ey Ez
Móvel
(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 semiautônomos (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 ____________________________
 Rede de dispositivos para automação que compartilham um
único meio de comunicação de dados;
Terminal de
supervisão e controle
Computador industrial / CLP
Radio de
telemetria e telecomando
Dispositivos
convencionais
Dispositivos sensores
Dispositivos atuadores
Transdutores Digitais Inteligentes
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-aponto (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
PLC
Rede de Controle
CAN / DeviceNet
ROBOT
Win-PC
ROBOT
UNIX
Rede de Informação
Ethernet, TCP/IP, PPP, FTP
CAN & Redes Embarcadas _____________
SAEJ1939
NMEA2000
ISO 11783
M3S
Automóveis
CANaerospace
Hurricane VHDL CAN Core
Small Aircraft Transportation System
Smart-1 (Europe Space Agency)
“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
Parte 4
Parte 5
Parte 6
Parte 7
GPS / SI
Parte 8
Parte 9
Parte 10
Controlador
de Tarefa
Terminal
Virtual
ECU
Motor
ECU de
Implemento
ECU de
Implemento
Sensores
Atuadores
ECU
NIU
do Trator
ECU
ECU
ECU de
Implemento
Freio
Transmissão
Controlador
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
ISO 11783
- ISOBUS -
Transporte
Rede
Enlace de Dados
Física
CAN BUS
(ISO 11898)
ISO 11783 – Exemplo de Topologia
ECU
Motor
ECU
Transmissão
ECU
do Trator
Controlador
de Tarefas
ECU
GPS
ECU
Freio
Terminal
Virtual
Trator
ECU
Sensor
ECU
Sensor
ECU
Sensor
Sub-rede com
outro padrão
TDI*
Sensor
ECU
Atuador
ECU
Atuador
Implemento 1
ECU
Controlador
TDI*
Atuador
NIU
TDI*
Sensor
Implemento 2
Barramento ISO 11783
Sub-rede não normatizado (outro
padrão)
Conector e terminação)
Terminação do barramento
* TDI: Transdutor Digital Inteligente
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 (infravermelho);
 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: [email protected]