Contribuciones al desarrollo de un equipo de tratamiento de precisión de cultivos con funcionamiento autónomo basado en mapas de distribución de malas hierbas

Este proyecto trata de diseñar y construir un prototipo capaz de realizar la pulverización de herbicida de manera automática y controlada. El objetivo es que este sea capaz de conocer en cada momento, a partir de un mapa de tratamientos, que zonas del entorno necesitan ser tratadas y realizar dicho tratamiento. La idea básica es partir de un terreno conocido que se va a tratar y ubicar previamente las zonas que requieren de un tratamiento fitosanitario. Posteriormente, cuando el tractor avance con el equipo de tratamiento, conocer continuamente la ubicación de este y decidir en tiempo real qué ha de hacer el equipo según lo que el mapa de tratamientos indica. Para la realización del proyecto se parte de una barra de tratamiento de 10 metros de longitud que contiene un total de 5 puntos de pulverización. Estos usan válvulas de apertura y cierre independientes, por lo que pueden tener estados diferentes en cada momento. Unos tramos de la barra pueden estar realizando el tratamiento en el mismo momento que otros se encuentran cerrados. La idea del proyecto es contar con un mapa de tratamientos de la parcela en la que se vaya a trabajar que contenga la información de las zonas con malas hierbas. En una situación real dicho mapa podría obtenerse a partir de la información tomada en campo por ejemplo con un dron equipado específicamente para ello. Actualmente ya existen aplicaciones que permiten obtener estos mapas pero todavía no está completamente automatizada la integración de las tareas de los drones con los equipos de tratamiento en tierra. Este vacío es el que motiva el planteamiento y desarrollo de este proyecto. La situación de partida del equipo de tratamiento es resultado de un trabajo de final de carrera desarrollado en 2007. En este proyecto se integraron los componentes electrónicos necesarios para poder realizar el control de apertura/cierre independiente, desde un ordenador a bordo del tractor, de los 5 tramos de 2 metros en los que se divida la barra de pulverización. Durante el diseño del nuevo prototipo se trató de acercarlo lo máximo posible a un producto real. De este modo se podría comprobar la potencial posibilidad de desarrollar en un futuro un producto comercial cuyo principio de funcionamiento fuese similar. Por ello se buscó que el resultado fuera: 1) Fiable y pudiese resistir jornadas de trabajo a bordo de un tractor independientemente de las condiciones climáticas. 2) El prototipo fuera lo más sencillo posible de controlar y entender para el usuario final manteniendo su funcionamiento plenamente automático durante el proceso de tratamiento. 3) Que se pudiera construir de forma modular e independiente del resto de equipos de un tractor para poder ser integrado en un equipo de tratamiento ya existente. Con estas premisas in mente, se procedió al diseño de los diferentes componentes. Para ubicar al equipo de tratamiento se decidió utilizar un receptor GPS. En concreto el receptor R220 de Hemisphere que había sido utilizado anteriormente en proyectos similares con buenos resultados. Para tener una precisión adecuada en la localización suministrada por el receptor, se optó por integrar correcciones diferenciales proporcionadas por una base cercana. El servicio de correcciones se suscribe a través de Internet, por ello fue necesario incluir un router con conectividad 3G al prototipo. Comunicando los dos componentes anteriores se encuentra una Raspberry pi. Esta es el nodo central del prototipo. Comunica las correcciones obtenidas mediante el router al receptor GPS y recibe las coordenadas corregidas de este. Internamente el procesador de la Raspberry pi, partiendo del conocimiento de las zonas que han de ser tratadas, procesará la ubicación en cada momento y decidirá que tramos de la barra de tratamientos se tienen que abrir/cerrar en cada momento. Una vez que se conoce qué partes han de funcionar, hace falta comunicar dicha información a las válvulas que controlan los distintos tramos del equipo de tratamiento. Para ello se decidió reutilizar partes del anterior prototipo que estaba formado por unos puentes de control de cada válvula, la tarjeta de adquisición de datos y un circuito multiplexor que los comunicaba. Para el nuevo prototipo se decidieron reutilizar todos los componentes anteriormente citados buscando la forma de hacer funcionar la tarjeta de adquisición de datos disponible con el sistema operativo de la Rasbperry (Raspbian). Una vez conectada la tarjeta se procedió a elaborar un nuevo programa de control de esta que permitiera mandar las ordenes de apertura/cierre a cada tramo ya que el programa empleado en el anterior proyecto, al estar basado en un sistema Windows, no se pudo reutilizar en este. Esto no resultó una tarea sencilla por distintas razones, como tratarse de un lenguaje de programación distinto, distintos drivers de control de la tarjeta de adquisición de datos y la falta de documentación explícita del programa de control antiguo. Para lograr alimentar cada una de las partes anteriores y poder ser independientes del resto del tractor y equipo de tratamiento, fue necesario añadir una batería. Se optó por una de 12V, pues este es el voltaje de alimentación del router, el GPS y la electrónica de control incorporada del prototipo anterior. Para alimentar la Raspberry, que necesita 5V, se optó por un conversor DC-DC. Llegados a este punto se tienen todos los componentes que conforman el prototipo. Sin embargo aún falta una forma de poder comunicarse con el equipo, en otras palabras, con la Rasbperry. Se optó por el uso de un escritorio virtual remoto mediante un protocolo de comunicación VNC. Esto es posible al disponer el prototipo de un router, lo que proporciona una conexión a internet para la Raspberry. Con esta comunicación y el uso de software adecuado se puede manejar la Rasbperry con plena funcionalidad desde cualquier Smartphone, Tablet u ordenador. Teniendo ya la posibilidad de permanecer conectados al prototipo solo haría falta una forma de interfaz. Así se optó por representar la zona a tratar con una imagen del área en la que aparecen marcadas las zonas en las que se han detectado malas hierbas y necesitan tratamiento. En tiempo real se actualiza en la escena la posición del tractor y las zonas que se tratan son modificadas para que el operario disponga de una representación de la evolución del trabajo en campo. A medida que se fueron integrando las diferentes partes del prototipo se realizaron sucesivas pruebas para comprobar que cada una de estas funcionaba correctamente. Por ejemplo se comprobó que la Rasbperry era capaz de conectarse al receptor GPS, mandar las correcciones y recibir la localización corregida de manera automática o que se conectaba a la tarjeta de adquisición de datos y manipulaba la barra de tratamiento. Una vez que se dispuso del prototipo completo se procedió a realizar unas simulaciones de funcionamiento real en estático. En estas el prototipo permanecía en el garaje en el que está guardado y la ubicación se simuló a partir de una trama real GPS recogida durante una tarea de muestre en campo. Así la simulación incluía un mapa ficticio con diferentes zonas de tratamiento por las que teóricamente avanzaba el prototipo. Con esta simulación se comprobó que en efecto los diferentes tramos se comportaban de la manera esperada y que la interfaz de la Raspberry se comportaba de la forma deseada y era visible para los dispositivos conectados a esta. La idea inicial era montar todos los componentes anteriores en una caja de protección y utilizar un tractor para extraer el equipo de tratamiento del garaje y realizar pruebas reales de funcionamiento. Sin embargo, debido al despliegue logístico necesario y las condiciones atmosféricas adversas de los últimos días, estas pruebas no se han podido efectuar en la fecha de la escritura del proyecto y están pendientes de realización. Pese a no haberse realizado estas pruebas finales el prototipo ya puede considerarse funcional y efectivo, ya que es capaz de realizar la tarea para la que ha sido diseñado, manteniendo unos niveles aceptables de fiabilidad y facilidad de uso. Con este proyecto se pretende acercar los avances tecnológicos al pequeño y medio agricultor. Por ello, este prototipo modular y de uso sencillo desarrollado es una opción para estos colectivos que ayudará a alcanzar una agricultura más precisa y productiva