La concepción popular de la agricultura como de baja tecnología está lamentablemente desactualizada. Los agricultores modernos son operadores de alta tecnología: utilizan software GIS para planificar sus campos, GPS para guiar las operaciones de campo y sistemas de dirección automática para que los tractores sigan esa guía GPS sin manos humanas. Dada esta base tecnológica, la transición a la autonomía total ya está en progreso, aprovechando las partes básicas y el software avanzado para llegar más rápido de lo que es posible en muchos otros dominios.
Este artículo describe algunas de las tecnologías clave que permiten la agricultura autónoma, utilizando el sistema autónomo de recolección de granos de Kinze como caso de estudio.
Fuente: Jaybridge Robotics
Jaybridge Robotics automatiza vehículos para operaciones sin conductor en dominios industriales que incluyen agricultura y minería. Hacemos esto usando componentes comerciales, listos para usar (COTS) y nuestro software. Creemos que el software es el mayor desafío para hacer que la robótica vehicular sea rentable y confiable. Durante los últimos años, hemos estado trabajando con Kinze Manufacturing para automatizar su línea de equipos agrícolas (ver video arriba). En este artículo, voy a explicar por qué los agricultores están bien posicionados tecnológicamente para aprovechar los vehículos agrícolas automatizados. También proporcionaré un estudio de caso de la tecnología detrás del sistema autónomo de recolección de granos de Kinze.
Agricultura guiada por satélite
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Figura 1: Satélite GPS Block IIF (gráfico de Boeing)
Aunque los habitantes de las zonas urbanas todavía pueden pensar en la agricultura como una profesión atrasada y de baja tecnología, gran parte de la agricultura profesional se ha convertido en alta tecnología en los EE. UU. Y otras naciones desarrolladas. La última década, en particular, ha sido testigo de la rápida adopción de la alta tecnología bajo la etiqueta general de agricultura de precisión.
Los agricultores recopilan y actúan sobre grandes cantidades de datos. Los datos del sistema de posicionamiento global (GPS) de los satélites (ver Figura 1) se encuentran en el corazón de la agricultura de precisión. Los agricultores utilizan software de gestión agrícola (por ejemplo, FarmWorks) y receptores GPS para mapear sus campos y rastrear el rendimiento (cantidad de cultivo) que obtienen de cada metro cuadrado. Pueden aumentar estos datos de rendimiento con una variedad de otra información. Por ejemplo, también pueden realizar un estudio detallado de muestreo del suelo para determinar la mezcla de nutrientes del suelo en diferentes áreas del campo. La salud de las plantas se puede evaluar en parte por la coloración de las plantas, por lo que algunos agricultores comprarán imágenes de sobrevuelo de aviones o satélites que les permitan determinar la salud de sus plantas en varias épocas del año. Por supuesto, toda esta información adicional va al software de mapeo de la computadora.
Con base en sus datos recolectados y mapeados (georreferenciados), los agricultores pueden generar mapas de prescripción que especifican cuánto fertilizante aplicar en cada región del campo, qué tan densamente plantar semillas en esa región, etc., para optimizar el rendimiento y minimizar aplicaciones químicas innecesarias.
Para aprovechar al máximo los mapas de prescripción, muchos implementos agrícolas modernos están controlados por computadora. Los plantadores, como su nombre indica, ponen semillas en el suelo. Una sembradora como la que se muestra en la Figura 2 puede tener unidades en hileras controlables independientemente, lo que permite que cada unidad se encienda y apague, o que se ajuste su tasa de siembra, de forma independiente.
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Figura 2: Jardinera plegable frontal Kinze Manufacturing 4900) Fuente: Kinze Manufacturing
Dado este tipo de sembradora, el mapa de prescripción se carga en la computadora del tractor y el conductor del tractor simplemente … conduce. El conductor dirige el tractor, el tractor tira de la sembradora y la computadora de a bordo controla la tasa de siembra según la ubicación de la sembradora en el campo. La computadora también rastrea dónde ya se ha aplicado la semilla, por lo que si el conductor tiene que conducir a través de un territorio ya sembrado, no obtiene una doble semilla.
La misma estrategia se aplica en otras actividades de mantenimiento de cultivos, como fertilización y otras aplicaciones químicas. La computadora monitorea la ubicación del vehículo y garantiza que los productos químicos se apliquen solo donde se prescriben, en dosis personalizadas adaptadas al área específica. Esto tiene beneficios de costo para el agricultor – menos químicos usados se ahorra dólares – y también tiene beneficios ambientales, ya que menos químicos usados son menos químicos en riesgo de filtrarse al ecosistema circundante.
Autonomía cooperativa
Al colocar la semilla en el suelo y luego volver a cosecharla, es importante que el recolector siga el mismo camino que el sembrador meses antes. Y, por supuesto, la cosechadora y la plantadora saben dónde están de la misma manera que su teléfono inteligente sabe dónde está usted: GPS.
Sin embargo, es posible que haya notado que su teléfono celular puede estar bastante apagado. La diferencia con los vehículos agrícolas es que, si bien la unidad de GPS que tiene en su teléfono o su automóvil sabe dónde se encuentra a unos pocos metros, un GPS aumentado de alta precisión en un tractor moderno sabe dónde está dentro de un par de pulgadas. Esta precisión tiene profundas consecuencias.
Primero, permite al conductor de un tractor reproducir una ruta una y otra vez. Al plantar, la semilla se va al suelo. Cuando se trata, el fertilizante se aplica directamente al área sembrada, sin aplicarse al territorio sin sembrar entre las filas. Finalmente, en la cosecha, el conductor cosecha con alta eficiencia siendo igual de preciso al avanzar por las hileras en la cosechadora.
Históricamente, el conductor guiado con precisión contaba con la asistencia de una «barra de luces», una línea de LED que indica en tiempo real si el vehículo está en la pista o si se necesita una corrección de dirección. Hoy en día, un tractor avanzado se conduce solo por la ruta.
Los sistemas de dirección automática están disponibles para una variedad de modelos de tractores, tanto incorporados como incorporados en el mercado secundario. La mayoría de los sistemas de dirección automática actuales solo pueden conducir las filas, lo que requiere la intervención del conductor al final de cada fila, pero los sistemas avanzados de algunos proveedores ahora pueden manejar ciertos giros simples. Incluso con la dirección automática, se requiere que el conductor esté atento a los obstáculos y controle el equipo, aunque el trabajo es mucho menos fatigoso cuando el conductor puede ir «sin manos» en filas largas. Mientras que el agricultor todavía está ajustando el acelerador y atento a una colisión, el sistema indudablemente se conduce de forma autónoma.
Preparado para la automatización completa
Esto dice mucho sobre los agricultores como futuros usuarios de sistemas más completamente automatizados. En fincas que han adoptado la agricultura de precisión:
• Los agricultores son usuarios de computadoras con conocimientos de tecnología.
• Examinan sus campos con precisión.
• Sus tractores ya están parcialmente conducidos por cable, lo que significa que una computadora ya puede controlar funciones clave como la dirección.
• Sus tractores están equipados con sistemas GPS de alta precisión.
Dada esta línea de base, la transición a la autonomía total es relativamente sencilla, ya que se utilizan piezas listas para usar y software avanzado.
Estudio de caso: Sistema autónomo de recolección de granos Kinze
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Figura 3: El sistema Kinze Autonomous Grain Cart que funciona con una cosechadora en 2012. Fuente: Jaybridge Robotics
Kinze Manufacturing fabrica carros de grano y sembradoras para cultivos en hileras. Durante los últimos años, Jaybridge Robotics ha estado trabajando con Kinze para automatizar los tractores que tiran de sus carros de granos para producir el sistema autónomo de recolección de granos de Kinze, que se muestra en el video de apertura y en la Figura 3. En este caso de estudio, veremos observe cómo el sistema Kinze se basa en tecnologías existentes y el software de Jaybridge.
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Figura 4: Módulos de software de Jaybridge Robotics (simplificado). Fuente: Jaybridge Robotics
En la Figura 4 se muestra una descripción general de alto nivel del software de Jaybridge Robotics. Nuestro software aprovecha los componentes básicos para realizar tareas clave de automatización de vehículos que incluyen:
• Interfaz de usuario que permite al usuario realizar el flujo de trabajo.
• Planificación de la ruta de los vehículos.
• Control del vehículo, incluyendo dirección, frenos, acelerador, etc.
• Navegación
• Detección de obstáculos
• Comunicaciones entre vehículos
Veamos cómo se realizan estos elementos en el sistema Kinze Autonomous Grain Harvesting.
La interfaz de usuario, que se muestra en la Figura 5, se ejecuta en una tableta Android con pantalla táctil. Al trabajar con Kinze, se identificaron cuatro elementos principales del flujo de trabajo. En Offload, un carro de granos se conduce en conjunto con una cosechadora, mientras que la cosechadora simultáneamente cosecha y descarga la cosecha en el carro de granos. En Seguir, un carro de granos sigue detrás de una cosechadora, por ejemplo, cuando la cosechadora transita por un área estrecha. En el parque, un carro de granos regresa a un área de estacionamiento designada, donde se encuentra con un semirremolque que transportará el grano hacia adelante. Y en modo inactivo, por supuesto, el carro de grano está inactivo esperando más instrucciones. Esos elementos clave del flujo de trabajo se realizan en los botones principales en el lado derecho de la pantalla, mientras que en la parte inferior se proporcionan capacidades adicionales como la edición manual de cultivos y la detección de obstáculos.
Pantalla en la tableta en la cabina de la cosechadora
Figura 5: Pantalla en la tableta en la cabina de la cosechadora
La planificación del camino, el control del vehículo, la navegación y la detección de obstáculos se llevan a cabo en tiempo real en la computadora incorporada a bordo del tractor que remolca el carro de granos.
El plan de ruta se adapta en tiempo real a medida que se mueve la cosechadora; tenga en cuenta que el movimiento de la cosechadora mueve no solo el destino del carro de grano (en los modos de seguimiento o descarga), sino que también limpia el cultivo, creando un área de conducción adicional. Es posible que el plan deba incluir maniobras complejas, por ejemplo, en la Figura 6, donde la recolección se realiza en un campo en terrazas. El planificador de rutas se basa en el sistema de navegación que identifica la posición, orientación y velocidad del carro de granos. Cuando se conduce en tándem con la cosechadora para descargar, también depende de las comunicaciones de alta velocidad entre los vehículos para intercambiar información de posición. El planificador de rutas debe considerar continuamente la posición del vehículo y el mapa del área manejable, así como las capacidades físicas del vehículo.
Plan de camino para un carro de granos haciendo un giro brusco alrededor de una terraza
Figura 6: Plano de la ruta de un carro de granos que hace un giro brusco alrededor de una terraza. Fuente: Jaybridge Robotics
El control del vehículo también se realiza en tiempo real, lo que garantiza que el vehículo siga las rutas planificadas. Al igual que la planificación de la ruta, el control se ejecuta en la computadora integrada a bordo, sincronizando el acelerador, los frenos y la dirección para lograr la ruta deseada.
El sistema de navegación fusiona los datos del sistema GPS de alta precisión estándar de fábrica con otra información del vehículo para proporcionar una estimación extremadamente precisa del estado del vehículo.
El sistema de detección de obstáculos se basa en un telémetro láser giratorio (LIDAR) y un RADAR automotriz que se usa más comúnmente para el control de crucero adaptativo. Los datos de ambos sensores están fusionados para mejorar la capacidad de detección.
Las comunicaciones entre vehículos se realizan a través de dos canales diferentes. En rangos más largos, los carros de granos y las cosechadoras se comunican a través de datos celulares, aprovechando la cobertura celular generalizada que se extiende cada vez más profundamente en el corazón del campo agrícola. A corta distancia, y especialmente cuando se conduce en tándem, se utiliza una radio de corto alcance y gran ancho de banda para intercambiar datos para coordinar la conducción.
Es importante tener en cuenta que los componentes de hardware son partes comerciales disponibles en el mercado (COTS): desde la computadora integrada hasta el LIDAR y el módem celular, la tecnología existe hoy en día a precios muy razonables. El software de Jaybridge los transforma de una colección de piezas a un sistema de recolección de granos totalmente automatizado.
Fiabilidad
La maquinaria industrial debe ser confiable. La maquinaria agrícola no es una excepción. Por tanto, un aspecto clave del trabajo de Jaybridge Robotics es garantizar que los vehículos automatizados y el software que los controla sean fiables. Jaybridge se basa en una serie de técnicas que incluyen inspección de código formal, pruebas unitarias, pruebas de regresión y simulación a gran escala (consulte la Figura 7) para validar el software antes de que pase al hardware real. La simulación, en particular, es una herramienta potente en nuestro arsenal: le da a cada ingeniero de Jaybridge un sistema completo con el que trabajar, sin tener que encontrar estacionamiento para un montón de tractores.
Entorno de simulación de Jaybridge
Figura 7: Entorno de simulación de Jaybridge. Fuente: Jaybridge Robotics
Desarrollo en curso
El sistema Kinze Autonomous Grain Harvesting se dio a conocer al público en 2011. En 2012, varios sistemas se pusieron en manos de agricultores reales de Illinois para la cosecha de maíz y soja de otoño. En 2013, los sistemas vuelven a trabajar la cosecha, con mayores capacidades y una robustez cada vez mayor. A medida que continuamos con la hoja de ruta tecnológica, esperamos mejorar aún más las capacidades y la solidez del Sistema de recolección autónomo de granos de Kinze.