Desarrollo de un robot prototipo con tecnología de navegación autónoma para operación en terrenos agrícolas llanos

Abstract

En la actualidad la automatización de procesos se ha desarrollado bastante, sin embargo, en el rubro agrícola hay poco desarrollo de sistemas automatizados en comparación con áreas como la minería y fábricas. Existe una línea de automatización y tecnificación de procesos en agricultura llamado agricultura de precisión (utiliza como una de sus herramientas la tecnología de la información y la robótica), en el cual se usa alta tecnología, pero su costo es elevado para medianas y pequeñas empresas agrícolas. En el desarrollo de la robótica de los últimos 10 años se ha dado cierto interés en dar soluciones a procesos repetitivos y de trabajo duro en la agricultura , principalmente centros de investigación y empresas en países como EE.UU, Alemania, Australia y Brasil. Por otro lado en Argentina y Uruguay se ha adquirido bastante tecnología para su producción agrícola, principalmente para agricultura de precisión en grandes extensiones de terreno. Esto refleja que en Latinoamérica, como es muy común, usamos tecnología que los países desarrollados crean a excepción de Brasil que está incursionando en tecnología. En el caso de Perú no hay un gran índice de utilización de tecnología de agricultura de precisión y menos existe la iniciativa de crear tecnología en este ámbito. Es por ello que como uno de los primeros esfuerzos de iniciativa del desarrollo de tecnología robótica en la agricultura se realiza este trabajo de Tesis. Las labores más comunes en agricultura son: la siembra, el cultivo, la cosecha, la fumigación, el análisis de suelos - plantas y el transporte de elementos (productos, herramientas o equipos). Para las labores mencionadas existen actualmente tecnología de tractores desde medianos a grandes que poseen accesorios (aradoras, sembradoras, cosechadoras, barras fumigadoras, etc.) y sistemas autopilotos bastante sofisticados y caros. Es por ello que la mayoría de empresas pequeñas y medianas del Perú no conocen éstas tecnologías y otras la conocen pero saben que es muy cara y por ello no la utilizan. La presente Tesis se centra en el desarrollo de un prototipo de robot autopiloto para fumigación (ya que este es una tarea que pone en riesgo a las personas por los agroquímicos), adquisición de datos (muy importante para conocer el estado de los sembríos y tomar decisiones) y transporte de elementos en campos agrícolas. En el presente trabajo se desarrolla un robot que posee 4 sistemas, los cuales son: sistema de navegación autónoma, adquisición de datos, SCADA y de ejecución de tareas sobre rutas (como fumigación, transporte de elementos y otros). El desarrollo de la presente Tesis de divide en 8 Capítulos, los cuales son: Capítulo 1: Se presenta la formulación de la problemática, los objetivos, el estado del arte del desarrollo de robots móviles autónomos para agricultura, y finalmente los alcances y limitaciones de la presente tesis. Capítulo 2: Se presenta el marco teórico relacionado con agricultura de precisión, fumigación agrícola, navegación autónoma, sistemas de control automático, sistemas de navegación por satélite, fusión de sensores y finalmente el sistema SCADA. Capítulo 3: Se desarrolla detalladamente el modelamiento del problema de la operación autónoma de los robots sobre unos campos agrícolas específicos y se obtiene los requerimientos para el diseño del Robot. Capítulo 4: Se desarrolla el diseño del hardware del robot. Se presenta el diseño del sistema hidráulico para la fumigación, el sistema mecánico tanto en estructura como transmisión de movimiento, la selección de actuadores, el diseño de la electrónica de potencia, microcontroladores, sensores, el sistema de comunicaciones y el sistema energético. Capítulo 5: Se desarrolla el diseño de los algoritmos de control y algoritmos lógicos para la navegación autónoma del Robot y para la ejecución de tareas como adquisición de datos y fumigación. Además, para el diseño del control de navegación se realiza primero el modelamiento del Robot y la identificación de los motores DC luego se diseñan los controladores de orientación y velocidad de motores DC. Capítulo 6: Se presenta el diseño del sistema de supervisión, control y adquisición de datos SCADA. Se desarrolla las funcionalidades de la Interfaz SCADA como son planificación de la ruta de navegación, asignación de tareas, comandos remotos, monitoreo en tiempo real y almacenamiento de la información en base de datos. Capítulo 7: Se presenta el proceso de implementación del sistema mecánico, hidráulico, eléctrico y electrónico. Además, se presenta el costo de la implementación. Capítulo 8: Se presenta las pruebas y resultados del robot implementado. Se muestra las pruebas de comunicaciones entre el robot y SCADA, control de velocidad de los motores DC, control de orientación y control de la navegación autónoma. Además de las pruebas del sistema de fumigación y adquisición de datos.