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1 Automação de Processos Agrícolas Rafael Vieira de Sousa 1 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

2 Agronegócio Automação Agrícola ISOBUS Robôs Móveis Agrícolas

3 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%).

4 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);

5 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;

6 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)

7 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.

8 Agronegócio Automação Agrícola ISOBUS Robôs Móveis Agrícolas

9 Agricultura de Precisão Coleta de dados (sensores da máquina e agronômicos); Transferência, armazenamento e processamento de dados (computadores e softwares); Controle de implemento (atuação);

10 Sensores

11 GSP: DGPS & RTK-GPS x m y m z m t (10 m) x f y f z f t Ex Ey Ez (Diferencial) 20 cm Receptor Móvel Ex Ey Ez (RTK - Cinemático) 2 cm Receptor Fixo (X f Y f Z f )

12 Tomada de Decisão

13 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

14 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;

15 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

16 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;

17 CAN & Chão de Fábrica Terminal PLC ROBOT ROBOT Rede de Controle CAN / DeviceNet Win-PC UNIX Rede de Informação Ethernet, TCP/IP, PPP, FTP

18 CAN & Redes Embarcadas SAEJ1939 NMEA2000 ISO M3S Automóveis CANaerospace Small Aircraft Transportation System Hurricane VHDL CAN Core Smart-1 (Europe Space Agency)

19 Agronegócio Automação Agrícola ISOBUS Robôs Móveis Agrícolas

20 Sistemas Centralizados Padronização do Sistemas Mecânicos Padronização dos Sistemas Hidráulicos Padronização dos Sistemas Eletrônicos??

21 ISO Conceitos O propósito da ISO 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.

22 ISO ISOBUS Parte 2 Parte 3 Parte 4 Parte 5 Parte 6 GPS / SI Parte 7 Parte 8 Parte 9 Terminal Virtual Controlador de Tarefa ECU de Implemento Sensores Parte 10 ECU de Implemento Atuadores ECU Motor NIU ECU do Trator ECU Freio ECU Transmissão ECU de Implemento Controlador

23 ISO 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

24 Modelo OSI (Open Systems Interconnection) e ISO11783 Modelo Referência OSI Aplicação Apresentação Sessão Transporte ISO ISOBUS - Rede Enlace de Dados Física CAN BUS (ISO 11898)

25 ISO Exemplo de Topologia ECU Motor ECU Transmissão ECU do Trator Controlador de Tarefas ECU GPS Barramento ISO Sub-rede não normatizado (outro padrão) Conector e terminação) ECU Freio Terminal Virtual Trator Terminação do barramento * TDI: Transdutor Digital Inteligente ECU Sensor ECU Sensor ECU Sensor ECU Atuador ECU Atuador Implemento 1 Sub-rede com outro padrão TDI * Atuador TDI * Sensor NIU ECU Controlador TDI * Sensor Implemento 2

26 Exemplo Aplicação ISOBUS - EMBRAPA

27 Exemplo Aplicação ISOBUS - EMBRAPA

28 Agronegócio Automação Agrícola ISOBUS Robôs Móveis Agrícolas

29 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;

30 Visão de Máquina Guiagem autônoma: detecção de linhas de plantio (infravermelho); Identificação de padrões (doenças, plantas daninhas, deficiência de nutrientes);

31 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);

32 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);

33 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);

34 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 ;

35 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);

36 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;

37 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

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39

40 OBRIGADO

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