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5/14/2018 Articulo Tractor - slidepdf.com

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Tecnclcgfa, Sociedad + lnncvaclen

7,8 Va de dlclembre de 2011

Vialidad y Simplicidad de la Automatizacinn de un Tractor AgricolaHernandez Muciiio Ri*, Pineda Enriquez LA 1*, Vargas Angulo HA 2 Valdez Hernandez OE 2

RESUMENSe realize un analisis te6rico de la factibilidad de una sencilla

automatizacion de un tractor agricola. El tractor, con sus multiples

aplicaciones, es el pilar de la agricultura industrial que a su vez es

base de la alimentaci6n mundia1. El analisis se realize mediante la

incorporaci6n de los principios de robotica m6vil, especificamente

los de un seguidor de lfneas y de la automatizacion electr6nica

mediante el uso de circuitos integrados mismos que se adecuaron

para el tractor. Esto con la finalidad de proponer una altemativa al

costoso proceso de adaptar un sistema de geolocalizaci6n como un

GPS en tractores que no 10 incluyen desde fabrica y de la dificultad

que presenta adquirir un tractor con GPS desde fabrica,

considerando la situaci6n economica nacional.

ABSTRACT

A theoretical analysis was performed, of the feasibili ty of a simple

automation of a farm tractor. The tractor, with its multiple

applications, is the mainstay of industrial agriculture, which in turn

is the main source of food worldwide. The analysis was performed

by incorporating the principles of mobile robotics, specifically

those of a line follower, and those of electronical automation by

using integrated circuits that were adapted themselves to the

tractor. This seeking an alternative to the expensive process that

means adapting a GPS to a tractor that didn't have it originally and

the difficulty of acquiring a tractor with a GPS included,

considering the economical situation nationwide.

Palabras claves: Rob6tica M6vil, Eficiencia energetica, Tractor

agricola, Seguidor de lineas, circuitos integrados.

INTRODUCCIONLa Agrotecnia es una rama de la agricultura que estudia los

metodos de siembra, riego, injerto, cultivo y recolecci6n. Dentro

de este ambito podria entenderse la continua introducci6n y/o

desarrollo de nuevas tecnologias a los metodos de siembra que ha

tenido el pais durante decadas con el fin de satisfacer la demanda

alimenticia del pais de una mejor manera. Sin embargo hay que

destacar la creciente desproporci6n entre tasa de natalidad actual

(1.102%) [1] Y desnutricion (17.8%) [2] que puede atribuirsele a

que esta rama ha permanecido sin avance 10 que ha provocado un

relat ivo estancamiento. Mexico no presenta niveles uniformes de

desarrollo agropecuario, las zonas productivas no dan abasto a la

demanda intema del pais, por 10 que se favorecen las

exportaciones; dejando al pais desprotegido ante los cambios en el

mercado mundial.

La evolucion de la mecanizaci6n de la agricultura en Mexico y

otros paises ha seguido el mismo camino, con la diferencia que

otros paises han alcanzado avances sorprendentes en el mismo

tiempo hasta llegar a la automatizaci6n que es la ultima fase de

desarrollo. En nuestro pais aun prevalece el nivel donde la fuerza

humana y animal es la principal fuente de energia en vastas

regiones del centro y sur del pais; en menor grado en el norte y

noroeste de Mexico. La tartarizaci6n, la motorizaci6n y en casos

excepcionales la automatizaci6n de la agricultura ya ha sido

posible.

ANTECEDENTESEn los ultimos afios la principal investigaci6n en el secto

agropecuario ha sido sustentada por la hoy Secretaria d

Agricultura, Ganaderfa, Desarrollo Rural, Pesca y Alimentaci6n

(SAGARPA), a traves del Inst ituto Nacional de Investigaciones

Agricolas, Pecuarias y Forestal (INIFAP), quien en la decada d

los 80's y 90's desarrollo diversos implementos e instrumentos

para uso agricola con el prop6sito de mejorar los procesos en

agricultura mexicana y solucionar algunos problema en el are

Continuando en el afio 2000 se crea el Centro Nacional d

Estandarizaci6n de Maquinaria Agricola en el Camp

Experimental (CNEMACE) en EI Homo, Texcoco.

El prop6sito de este organismo es evaluar y probar los modelos d

tractores agricolas que se usan en Mexico bajo las normas

procedimientos intemacionales para verificar que cumplen con

estipulado por el fabricante en cuanto a salida de potencia en:

toma de fuerza, en la barra de tiro y en el sistema de levante

ademas de evaluar la seguridad del operador efectuando prueba

destructivas a las cabinas.

Actualmente, este centro ha probado diversos modelos de tractore

de diferentes fabricantes y son los que se han beneficiado ya qu

una certificaci6n por parte del CNEMACE significa la posibil idad

de que su adquisici6n por 10 agricultores sea financiada a traves d

apoyos gubernamentales. Esto aunque ha favorecido el desarrollo

la cobertura no ha alcanzado de manera eficiente el ramo d

desarrollo de tecnologias e innovaciones ya que se sigue

empleando; metodos altamente ineficientes en los sectores d

mayor demanda; metodos arcaicos que generan perdidas y un al

consumo de energia, ademas de requerir excesiva mana de obr

que labora en condiciones de fatiga extrema y riesgo a la saluprogresivo (Entre 50% y 90% de los can ceres de piel esta

causados por las radiaciones ultravioleta las que estan expuesta

constantemente los trabajadores) [4].

Los desarrollos antes mencionados son insuficientes para hacer

campo mexicano competitivo frente al de otros paises cuyo

avances en Agrotecnia los han puesto a la vanguardia en el uso d

sistemas automatizados que aumentan el rendimiento y la calida

de vida de la mana de obra; ejemplo de estos desarrollos

encuentran en Jap6n donde se cuenta con un clasificado

automatico de fruta [5] 0 los invemaderos, regadoras y lo

tractores auto guiados por via GPS en Espana. [6]

Si bien es cierto que la automatizaci6n del campo en el mund

hasta hace algunos afios parecia lejana, hoy en dia es una realida

y por 10 tanto surge la necesidad de ponerse a la par con el rest

delmundo.Desde hace casi 20 afios empresas intemacionales, en su mayori

procedentes de Estados Unidos y Jap6n, que tienen inversione

dentro del rubro de maquinaria agricola han generado solucione

para eficientarla apoyandose en sistemas de precision apoyada e

satelites:

"En la ultima decada del Siglo ~ la actividad de John Deere h

mantenido su importante ritmo de crecimiento en cuanto

mercados, nuevos negocios e innovacion.

El trabajo de este grupo, ha permitido a Deere tener e

funcionamiento mas de 200 aplicaciones en Internet para su

43



empleados, concesionarios, proveedores y clientes, y disponer de

uno de los sistemas mas avanzados de agricultura de precision

apoyada en la localizacion via satel ite . " [7J

Estas soluciones implican generalmente:

• Un HMI para que el operador del tractor tenga nocionabsoluta de la actividad del tractor y el camino que ha

recorrido sin la necesidad de girar continuamente

sobre si. [8]

• Un receptor decodificador de GPS para todas las

sefiales. [9]

• Un sensor de angulo de giro de las ruedas para

complementar su posicionamiento instantaneo y

consecuente localizacion,

• Un comparador de posicion que mediante relaciones

intemas con la rutina programada y las variaciones

generadas por el terreno mismo durante la navegacion,

realiza las correcciones pertinentes para conseguir que

el tractor realice el recorrido programado

• Una interfaz directamente acoplada al vehiculo que

opera la direccion, en todos los casos este

acoplamiento es facilmente ret irable en situaciones de

emergencia por el operador que en todo momenta

debe supervisar. [10]

• La prograrnacion de estas rutinas se realiza mediante

software especializado proporcionado por el mismo

fabricante [11]

Estas innovaciones estan limitadas solo al direccionamiento del

volante, que aunque sin lugar a dudas es un gran apoyo, no es una

solucion total para el campo, ya que, en la operacion real, se

requieren realizar maniobras mas complejas especialmente cuando

ha de comenzarse un trazado 0 real izar modificaciones sobre la

marcha; situaciones en las cuales el tractor suele atascarse 0 el

implemento no realiza bien el trabajo. En estas situaciones fuera de

control, seria necesario tener control sobre las palancas y recibirnotificaciones de particularidades que aporta un operador humano,

notificaciones tan sencillas pero cruciales como puede ser un paro

total de emergencia, por 10 que solo con tener el preciso control de

la direccion no es posible realizar esas maniobras.

DESARROLLO

A partir de ella hemos ideado con relativa simplicidad con la

manera en que estas dificultades pueden solucionarse, sin requerir

realizar cambios extremos en la estructura misma de la maquinaria.

He aqui un recuento breve de los conceptos de funcionamiento en

los que basaremos el proyecto, recordando que un robot movil con

ruedas (RMR) es un vehiculo capa de moverse de manera

autonoma sobre una superficie, mediante la accion de ruedas

montadas en el. Y cumple con las siguientes afirmaciones:

• La energia potencial es constante

• Los ejes de guiado son perpendiculares al suelo

• El contacto entre cada rueda y el suelo se reducen a

un solo punto

EI tractor, una vez instalados los componentes, puede ser

considerado un robot movil de configuracion Ackerman

(configuracion ideal para el tipo de terreno irregular en el que se

trabajara). Asi la postura del tractor queda sujeta a la tema (X, Y,

!J ) y su movimiento respondera a la ecuacion 1 como se muestra en

la figura 1.


7,8 Va de diciembr e de 2011

cot(61) -cot(62) =all (1)

Dee ied

t .z a j e c r o r- y

Figura 1.Movimientos de un robot configura cion Ackerman

Lo anterior deja ver como, a velocidades pequefias solo

requieren pequefias alteraciones en la direccion, pero en caso d

necesitarlo se pueden hacer virajes mas fuertes sin perde

estabil idad, es decir, con solo 4 dist intas posiciones de las ruedas

tractor podra completar cualquier pista en que se Ie coloque.

Scrvoneumatica

Los servomecanismos, son todos aquellos actuadores cuy

posicion puede manipularse de manera precisa. La servoneumatica

es la aplicacion de este principio de posicionamiento co

autocorreccion, aplicado a los sistemas neumaticos, mediante

dosificacion de aire con electrovalvulas especiales, y

retroalimentacion con sensores ubicados a 10 largo de toda

carrera del piston. Esta tecnologia es aun muy nueva, y nace de

necesidad de evitar instalaciones hidraulicas para promover

asepsia en aplicaciones alimentarias, como la que nos concieme (

contacto entre las plantas y animales con los diversos fluido

hidraulicos puede ser perjudicial para los seres human os). E

tractor automatico requerira de un sistema neumatico para

posicionamiento del sistema de palancas y pedales que controlan

segun el modelo de tractor, el avance de transmision de potenci

posterior, el embrague, 0 los frenos y la velocidad de avance

Debido a que un tractor no presenta un cambio de velocida

durante un trayecto normal y si 10 hace, requiere de un alto tota

el sistema neumatico no requiere una precision muy elevada, as

sera posible desarrollar un sistema de servoposicionamientosimple, basado en la dosificacion paulatina de presion con el us

de solo 3 sensores para el inicio, mitad y el final de carrera. E

caso de necesitarse un cambio de velocidad para el traslado d

tractor, este sera realizado por el operador, si es esporadico

cambio. En caso de tratarse de un tractor con multiples funciones

se incluira un sistema de ejes neumaticos para la manipulacion

automatica de la palanca de velocidades, como se muestra en

figura 2.

44



Figura 2. Esquema del acomodo de pistones para

movimientos en 2 ejes

Como podra suponerse la aplicacion tan exquisita seguramente

requerira el uso de la tecnologia del cilindro Tandem, utilizado

cuando se necesitan fuerzas considerables y se dispone de un

espacio determinado (como en el caso del freno que en el tractor

es muy robusto) y la de los MPC que se usan en aplicaciones de

alta dinamica y cuando se requieren tareas de posicionamiento demas de dos puntos (arbol de cambios de velocidad).

Encoder

Un encoder es un dispositivo que funge como transductor de

velocidad angular a pulsos electricos, Un encoder optico consta

basicamente de una fuente de luz conformada por un arreglo de

diodos LED's que se encuentran frente a un disco giratorio con

ranuras. En la parte posterior de este disco se coloca una tarjeta

con rendijas que hacen la funcion de guia de luz, la posicion estas

rendijas sirve como codigo de luz para ser detectada por elementos

fotosensibles [13], figura 3.

J'Ilarca

de cere

Salida __,,_

digital

LED

giro

Figura 3. Encoder incremental esquematizado

Transrnision de potencia

Un engranaje sirve para transmitir movimiento circular mediante

contacto de ruedas dentadas. Las transmisiones reducen una

rotacion inadecuada, de alta velocidad y bajo par motor, del eje de

salida del impulsor primario a una velocidad mas baja con par de

gjrQ mas alto, 0 a la inversa. Muchos sistemas incluyen la

capacidad de seleccionar alguna de varias relaciones diferentes.

Una transmision circular podra controlar con precision la

direccion,

RXyTX

Particulannente, el sensor infrarrojo es un dispositivo electronico

capaz de medir la radiacion electromagnetica infrarroja de los

cuerpos en su campo de vision. Todos los cuerpos reflejan una

cierta cantidad de radiacion, esta resulta invisible para nuestros



. Q i . . Q . § pero no para estos aparatos electronicos, ya que se encuentran

en el rango del espectro justo por debajo de la luz visible. El colo

blanco es el extremo opuesto total de la emision del color negro

Con este principio se construira un modulo de vision que i

adaptado, con proteccion al tractor, este modulo es 10 que Ie daracaracteristica de seguilineas, pues se trazara un camino de un colo

que contraste con el general de la superficie (el color se deb e

determinar despues de una serie pruebas en campo) apoyados co

a funcion de escala variable que incluye el microcontrolador

PICAXE. EI modulo de vision constara de 4 sen sores, que

agruparan como se muestra en la figura 4.

Figura 4. Esquema del modulo de vision

Esta configuracion sera la que determinara las diferente

velocidades (alta +, baja +, baja - yalta -) como se muestra en

figura 3, los sensores extremos solo se activaran al entrar e

contacto visual con la guia, 10 que demandara una velocidad mayo

de correccion, mientras que los sensores intemos ordenaran un

velocidad baja planeada unicamente para la correccion d

direccion durante una linea recta.

En esta aplicacion a campo abierto, en la cual un alto porcentaj

de su operacion se realiza bajo el candente rayo del sol, se

crucial la incorporacion de filtros opticos que limiten falsa

detecciones causadas por los rayos solares, recordando que

espectro solar esta fonnado en un 49% de radiacion infrarroja [1

que podria ocasionar una interferencia entre los sensores y la nad

despreciable radiacion reflejada; los filtros opticos son medios qu

solo permiten el paso a traves de ellos de luz con cierta

propiedades, suprimiendo 0 atenuando la luz restante, 1 0 qu

tornara laboriosa la calibracion mas no imposible.

Microcontrolador PICAXE

Un microcontrolador es un circuito integrado que incluye en

interior las tres unidades funcionales de una computadora: unida

central de procesamiento, memoria y perifericos de entrada

salida. EI sistema PICAXE explota las caraeteristicas unicas de

nueva generacion de microcontroladores de bajo costo FLASH,

praeticidad que presenta 10 hace ideal para pruebas de campo. Es

dispositivo de muy facil programacion, no requiere un circui

especial para este fin, por 1 0 que basta con aeoplar una conexion seri

y se podra modificar el programa directo en campo. Esto

dispositivos son considerados los PLC del futuro, pues

programacion en leguaje BASIC, los haee accesibles a un mayo

publico, y tienen un costo aproximadamente 900% menor (sin inclu

los costos del circuito periferico), EI uso de estos disposit ivos es

clave para el abaratamiento de un proceso de automatizacion, ya q

las posibilidades que ofrece como: aumento de entradas y salida

comandos precargados para el control de motores a pasos

servomotores, escalada de variables analogicas y facil acoplo

unidades de radiofrecuencia 10 haeen un sustituto obvio para los car

PLCs.

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Comunicaciones Wireless

EI radio control es la tecnica que permite el gobiemo de un objeto a

distancia y de manera inalambrica por medio de ondas de radio.

La adicion de los elementos listados de la forma que se expone, enun equipo en desuso 0 en condiciones deterioradas vislumbra la

economica posibilidad de automatizar los procesos comunes en el

area agropecuaria. Una vez reducidas las variables principales a

controlar, solo resta ver como son afectadas por el entrono

irregular tanto para el simple movimiento del tractor como para las

variaciones que pueda ocasionar el entomo en las herramientas, y

estas en el desplazamiento del tractor, y aplicar las tecnicas ya

conocidas para conservar el desplazamiento con una gran

precision. Esto incluira el uso de servomotores, sensores y

pistones, que impidan que en ninguna situacion, este en riesgo el

operador 0 algun transcunte.

Metodologia para la Autornatizacion de un Tractor

A) Adquisicion de datos

Dimensionamiento del programacion deractor y

servornecamsrnos

A.I) Ultimas pruebas de operacion de prototipo (Primer mes)

-Con el prototipo ya construido por los estudiantes de escala 10:1

se realizaran pruebas de campo que verifiquen la respuesta de los

componentes electronicos operando a la intemperie, dentro de una

estructura con las medidas escaladas del area don de se operara,

A.2) Dimensionamiento especifico del SIDENA 310 asi como el

empleo de software de simulacion para prever situaciones

indeseadas.

B) Consulta

A partir de las fichas tecnicas del fabricante (peso, dimensiones,

capacidades, alimentacion, canales de comunicacion, detal les deoperacion y condiciones de riesgo) determinar caracterfsticas de

herramienta, material y equipo complementario para la instalacion,

C) Automatizacicn

C.l) A partir del pesos de los componentes se realizaran

adaptaciones mecanicas para las capacidades del tractor, esto es

arnpliacion del chasis mediante el soldado de partes metalicas que

brinden estabil idad y firmeza para la colocacion de componentes,

esto sera determinado por la optimizacion del analisis de esfuerzos

arrojado por la simulacion generada de mediciones experimentales.

C.2) Disefio y control de servomecanismos

Se tienen valores aproximados de una fuerza necesaria desde 1 a 6

N para el control de cada palanca, se corroboraran valores con el

Instituto Nacional de Investigaciones Forestales Agricolas y

Pecuarias (INIF AP), con 10 que se determinaran las funciones

direccional, caudal y presion para programar el amplificador

electronico que controlara las electrovalvulas,

C.3) Comunicaciones

Como primera parte se procedera a la verificacion de la correcta

emision y recepcion de seiiales por servomecanismos al vacio,

tomando especial atencion a las velocidades de procesamiento de

informacion. Se procurara utilizar el software de comunicacion


7,8 Va de diciembre de 2011

provisto por el fabricante de comunicaciones inalambricas, s

embargo de ser necesario se desarrollara un software muy basic

para el gobiemo final de los componentes.

CA) EnsamblajeTodos los miembros del equipo participaran activamente en

ensamblado e intercornunicacion de todos los componentes

D) Pruebas de laboratorio

Aqui se verificara que la eficacia de la emision y recepcion d

seiiales de respuestas que produzcan seguridad en los usuarios

tambicn se cornpararan los tiempos en los que vira la direccio

efectivamente esperando que la desviacion con la sirnulacion se

minima y puedan completar el recorrido.

E) Pruebas de campo

Despues de pasar por las pruebas de taller y laboratorio,

software sera alimentado con informacion sobre las coordenadas

de los vertices del campo con la ayuda de un navegador GPS par

determinar la ubicacion geografica del campo y para determinarsuperficie y distancias lineales de recorrido, luego el tractor se

probado en el mismo espacio correspondiente a un huerto fruticola

donde se estableceran lineas guia entre las hileras de los arboles

mismas que seran detectadas por los sensores infrarrojo para segu

el camino en linea y al final del campo realizar los virajes.

Se realizaran pruebas de desempeiio comparando con otro

tractores manuales y ya automatizados en:

-Desmalezado, rastreo, fertilizacion y/o aspersion.

F) Evaluacion del rendimiento en campo

El rendimiento de campo se realiza a traves de dos concepto

importantes: la eficiencia y la capacidad de campo relacionados e

las ecuacion 2 y 3:

(2

Donde:

E es la eficiencia de campo, en %

tu es el t iempo productivo 0 tiempo util que se emplea durante

jomada, en horas

ti es el tiempo improductivo durante la misma jomada, en hora

(tiempo de virajes, tiempo de ajustes sobre la marcha, tiemp

personal de operador, entre otros).

(3)

Donde:

CCE es la capacidad de campo efectiva, en ha/h

a es el ancho de trabajo efectivo de la operacion en cuestion, en m

V es la velocidad de desplazamiento del tractor junto con

implemento, en krn/h

46



Al comparar los valores de eficiencia y de la capacidad de campo

efectiva, para realizar una actividad agricola con el tractor con

operador y sin operador, se obtendra la diferencia en el

incremento del rendimiento en el trabajo de campo.

Perspectivas

De esta forma y a un costo reducido en comparacion al

beneficio y en muy poco tiempo, es posible automatizar un

tractor ya existente, y de un modelo antiguo obtener un

equipo de punta que podra beneficiar de manera importante al

duefio del equipo quien podra aumentar su produccion e

incluso utilizar su tiempo en distintas actividades que mejoren

en cadena la producci6n del campo tal y como se ha logrado

en otras partes del mundo. [12]

CONCLUSION

De lograrse la automatizaci6n con exito de una herramienta comun

en el campo, de adquisici6n sencil la, entonces, se podra aumentar

la producci6n del campo, mejorar el nivel de vida de quienestrabajan en el y disminuir drasticamente el nivel de abandono del

campo, y aumentando la posibilidad de dedicarse a distintas

actividades productivas adicionales. Este proyecto se pretende

realizar en su totalidad en un plazo no mayor ados afios,

basandose en el prototipo construido por los alurnnos asociados,

dentro de las instalaciones de la Facultad de Estudios Superiores

Cuautitlan, con el apoyo directo del Centro Nacional de

Estandarizaci6n de Maquinaria Agricola (CENEMA).

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[11]Farrnwork

de junio d

INFORMACION ACADEMIC ARicardo Itzc6atl Hernandez Muciiio estudiante de quint

semestre de Licenciatura en Tecnologia en la Facultad de Estudio

Superiores Cuautitlan

Leonel Alejandro Pineda Enriquez estudiante de quinto semestr

de Licenciatura en Tecnologia en 1a Facultad de Estudio


Hector Alejandro Vargas Angulo estudiante de quinto semestr

de Ingenieria Mecanica Electrica en la Facultad de Estudio


Omar Eduardo Valdez Hernandez estudiante de quinto semestr

de Ingenieria Mecanica Electrica en la Facultad de Estudio


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http://www.sagarpa.gob.mxiagriculturaidocuments/SNIA.pdf




http://www.agroterra.comlv/deaval-automatizacion-s-l-

http://www.deere.comles/


http://2011http//www.trimble.comlagriculture/aggps-262

http://www.deere.com/jdlales

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http://2011http//www.trimble.comlagriculture/aggps-262


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