RESUMO
O presente documento relata as pesquisas realizadas por este Pesquisador e equipe em Agricultura de Precisão, incluindo o desenvolvimento, construção e uso no campo, de um sistema automático de pesagem, utilizando um sistema comercial de DGPS com pós-processamento, para o mapeamento da produtividade da cultura de milho, um sistema comercial constituído de um monitor de colheita e DGPS com correção de posicionamento em tempo real via rádio para mapeamento da produtividade de cereais, um sistema para calibração de sensores de produtividade de colheita, um sistema para regulagem automática da razão de aplicação de sementes para uma semeadora comercial e uma análise cinemática da acurácia de um DGPS. Um sistema automático de medição do peso de grãos colhidos, foi desenvolvido utilizando-se um sub-tanque graneleiro apoiado sobre quatro células de carga dentro do tanque da colhedora, sem nenhuma modificação estrutural da mesma, obtendo-se um erro máximo de 3,99 N para uma capacidade do sub-tanque de 4905 N. Um Sistema de Posicionamento Global (GPS) móvel foi utilizado sobre a colhedora no campo, e um outro sistema fixo foi utilizado como base para correção diferencial através do pós-processamento dos dados de posição. Os sistemas de medição automático de peso e de posicionamento, permitiram a obtenção do mapa de produtividade para a cultura do milho em uma área ao redor de 7 ha, onde se verificou que 47,8% das células de 10,8 m de comprimento e 3,6 m de largura, possuiam uma produtividade na faixa de 3,59 a 4,76 t/ha, para uma produtividade média da cultura de 3,84 t/ha. A principal vantagem do sistema de pesagem automático desenvolvido, é o fato do mesmo permitir a obtenção direta do peso dos grãos colhidos, sem a necessidade de sensores para a medição do fluxo de grãos e calibragem para cada cultura. O mesmo princípio poderá ser adaptado para o mapeamento da produtividade de culturas, onde sistemas de medição de fluxo de massa não possam ser utilizados. No mapeamento da produtividade do milho utilizando-se um sistema comercial para monitoramento de colheita e um sistema comercial de DGPS que utiliza uma estação base dedicada, com correção dos dados de posicionamento através da emissão dos sinais de correção através de rádio em tempo real. Este sistema mostrou ser técnicamente viável para o monitoramento de produtividade da cultura do milho, sem a utilização de sinais de correção via satélite, cujo custo ainda é muito alto para as condições da agricultura brasileira. As maiores dificuldades com relação ao uso desse sistema dizem respeito às inúmeras calibrações necessárias para o perfeito funcionamento do sistema, a dificuldade dos sinais de correção emitidos via rádio em FM ultrapassar obstáculos entre a estação base e móvel, e a adequação do sistema de medição do fluxo de grãos às colhedoras nacionais. O sistema para calibração de sensores para mapeamento de produtividade se mostrou adequado para o desenvolvimento e calibração de sensores de produtividade, produzindo fluxos conhecidos e controlados de grãos diversos, utilizando um sistema automático de pesagem como medidor do fluxo de grãos. O sistema para regulagem automática de razões variáveis de sementes para uma semeadora comercial, foi capaz de fazer o posicionamento do cilindor canelado, responsável pela dosagem de sementes com um desvio máximo de 1,18 mm o que se mostrou adequado para aquele fim. A determinação cinemática da acurácia de um DGPS comercial mostrou que o sistema tem condições de atingir uma acurácia de posicionamento menor que 1 m, na faixa de velocidade de 4 a 12 km/h , o que é suficiente para a maioria das operações realizadas em Agricultura de Precisão, inclusive a aplicação localizada de insumos.
Palavras Chaves:Agricultura de Precisão, Mapeamento de Produtividade, GPS e DGPS, Aplicação Localizada de Insumos
PROJETOS DESENVOLVIDOS
1 Sistema com Pós-processamento de Posição e Sistema Automático de Pesagem de Grãos
Área e cultura.
Este projeto foi realizado em uma área de aproximadamente 7 ha, subdividida em 6 talhões, os quais estavam separados por terraços de aproximadamente 2 metros de base, conforme a figura abaixo.
A área foi plantada com milho, com espaçamento de 0,90 metros entre linhas e densidade populacional média de 55000 plantas/ha.
Croqui da área utilizada. Divisão da área em talhões.
Colhedora.
Uma colhedora comercial, com plataforma para 4 linhas (3,6 metros de largura) foi instrumentada com um sistema automático de pesagem direta dos grãos, utilizando um sub- tanque graneleiro, com forma trapezoidal, construído e instalado no interior do tanque graneleiro da colhedora, sendo fixado ao fundo deste, com a capacidade de determinar a cada segundo a quantidade de grãos que foi depositada no mesmo.
Sistema de posicionamento
O sistema utilizado era composto por dois equipamentos distintos, o primeiro, um receptor de GPS móvel e um segundo, um receptor de GPS fixo.
O sistema móvel era composto por um receptor de GPS, com capacidade de leitura de até 8 canais, podendo desta forma utilizar-se de informações de até 8 satélites para o cálculo das coordenadas. A este coletor, ligava-se uma antena, a qual foi fixada sobre a colhedora. O receptor
Colhedora e esquema de montagem do sub-tanque graneleiro.
móvel possui ainda uma porta serial padrão RS-232, na qual foram introduzidos os sinais provenientes das células de carga.
O sistema base, instalado sobre um ponto de coordenadas conhecidas, era composto por um receptor de GPS, ligado à uma antena especial e a um "notebook".
O sistema móvel era composto por um receptor de GPS, com capacidade de leitura até 8 canais, podendo utilizar-se de informações provenientes de até 8 satélites para o cálculo das coordenadas. As figuras abaixo dão uma idéia dos componentes do sistema.
Antena de GPS da base.
Receptor fixo acoplado ao "notebook"
Receptor e antena móvel do GPS
Com o posicionamento da colhedora no campo e a quantidade de grãos que entrou no sistema a cada segundo, foi obtido o primeiro mapa de produtividade de uma cultura de grãos produzido através de um projeto de pesquisa no Brasil, o qual é mostrado a seguir.
Mapa de produtividade da cultura de milho
Da análise do mapa de produtividade obtido, verificou-se uma ocorrência de 47,8 % das células com uma produtividade na faixa de 3,59 a 4,76 t/ha. A segunda maior freqüência foi de 24,2 % na faixa de 2,41 a 3,59 t/ha. A média de produtividade de toda a área estudada foi de 3,84 t/ha.
2. Mapeamento da Produtividade de Culturas de Cereais Utilizando um Sistema com Posicionamento em Tempo Real e Monitor de Colheita Comercial
Sistema de Posicionamento com Correção em Tempo Real
Nesta fase do projeto foi realizado um levantamento das melhores características que um sistema de posicionamento deveria ter, para inclusive permitir a sua utilização em qualquer propriedade agrícola. Desse levantamento ficou patente que qualquer sistema a ser selecionado, teria que utilizar a correção diferencial do posicionamento, através das técnicas conhecidas por DGPS (Sistema de Posicionamento Global Diferencial. Desta forma optou-se por adquirir o sistema composto por duas antenas de GPS, uma móvel e outra estacionária, sendo esta última montada em um local com posição conhecida. O rádio da base possuía 35 w de potência e o rádio móvel 2 w de potência. A montagem que vem sendo utilizada é aquela representada na figura abaixo. Os dois sistemas se comunicam, de forma que o receptor móvel recebe o sinal de correção e calcula a sua posição para tempos a partir de 1 segundo. A antena da base do DGPS montada sobre um silo próximo à área experimental e as antenas móveis de rádio e do DGPS instaladas sobre o teto da colhedora, são ilustradas a seguir.
Esquema do sistema DGPS
Posição da antena da base do DGPS fixa sobre um silo
Antena móvel do DGPS e antena de rádio sobre o teto da colhedora
Sistema Monitor de Colheita Comercial
Nesta fase desta pesquisa, se decidiu pela utilização de um monitor de colheita comercial no projeto, o qual consta de um sensor de fluxo de grãos adaptado na saída do elevador de grãos limpos, um sensor de umidade dos grãos colocado no condutor de grãos para o depósito da colhedora, e um sensor de altura da plataforma de colheita em relação ao solo. Como parte da adaptação foi necessário selecionar ainda os dois sensores que fazem parte do sistema nas colhedoras americanas, mas que não estão disponíveis na colhedora nacional à disposição do projeto. Um sensor foi adaptado para medir a rotação da roda traseira esquerda da colhedora para se obter a velocidade de deslocamento no campo, e outro para se medir a rotação do elevador de grãos limpos. As figuras a seguir ilustram a montagem dos sensores em suas respectivas posições.
Esquema mostrando posição dos sensores utilizados na colhedora
Montagem do sensor de altura da plataforma.
Sensor de fluxo de grãos
Sensor de umidade dos grãos
A figura abaixo ilustra a montagem do monitor de colheita e do monitor do DGPS dentro da cabine da colhedora.
Para se obter o mapa de produtividade os dados de posicionamento, fluxo e umidade dos grãos são armazenados com o módulo HARVEST do software dedicado que faz parte do equipamento para DGPS. O mapa obtido pode ser visualizado através da opção CROPVIEW daquele software.
O sistema de posicionamento em tempo real utilizado permitiu a localização da colhedora no campo com uma acurácia suficiente para traçar as passadas da colhedora em linhas paralelas sem desvios nem sobreposição. Uma das desvantagens verificadas para o sistema é a necessidade de se operar na " linha de visão " das antenas, sem o que se corre o risco de perder o sinal diferencial.
A grande vantagem da utilização de uma estação base própria é a independência de outras fontes de sinal de correção diferencial, como satélites estacionários, cujo uso em nosso país ainda possui um custo elevado.
A figura abaixo mostra o caminhamento de uma colhedora no campo, e pode-se notar que a acurácia de posicionamento é adequada para o uso em agricultura de precisão, como mostra a
parte inferior desta figura, onde uma única passada da colhedora com uma largura de 3,6 m está sendo representada, e não se observa desvios pronunciados no posicionamento da mesma. De acordo com as especificações do fabricante, este sistema pode alcançar uma acurácia de posicionamento menor que 1 m, o que é suficiente para este tipo de aplicação.
Mapa de produtividade da cultura de milho obtido com os sistemas DGPS e
monitor de produtividade comerciais
Os dados obtidos no ensaio do mapeamento da produtividade de milho, permitiram a obtenção do mapa diretamente no visor do monitor como ilustra a figura acima. O monitor de produtividade comercial tem condições de realizar um serviço adequado, porém a sua calibração é trabalhosa e exige no mínimo as calibrações para distância, temperatura, vibração, umidade e densidade dos grãos.
3 Sistema para Desenvolvimento e Calibração de Sensores de Fluxo
Dos resultados obtidos nas pesquisas anteriores se chegou `a conclusão que há a necessidade de eventuais calibrações do sensor de produtividade adquirido e de outros que venham a ser desenvolvidos e comercializados. A partir desta constatação, decidiu-se montar uma estrutura com essa finalidade. A estrutura montada se constitui de um elevador de grãos limpos de uma colhedora comercial convencional, instrumentado para se medir todas as variáveis envolvidas no processo de medição de produtividade de grãos. O sistema montado tem as características ilustradas na figuras a seguir.
Vista traseira do sistema para desenvolvimento e calibração de sensores de fluxo
Vista frontal do sistema para desenvolvimento e calibração de sensores de fluxo, e
detalhe da fixação das células de carga.
4. Desenvolvimento de um Sistema de Regulagem Automática para Razões Variáveis de Sementes
Uma semeadora-adubadora de 15 linhas para sementes miúdas com dosadores de cilindros canelados, foi utilizado neste projeto.
Para o posicionamento da máquina no campo foi utilizado o mesmo sistema de posicionamento global com correção diferencial em tempo real já descrito.
A instrumentação utilizada incluía ainda uma CPU com interfaces de entrada/saída responsáveis por leituras do GPS e dos sensores utilizados.
Para a regulagem automática da largura de exposição dos cilindros canelados dosadores foi utilizado um motor de passo e uma caixa redutora mecânica, como mostra a figura abaixo.
Vista geral do sistema de controle e dosador de sementes.
Um mapa de prescrição continha as quantidades de sementes recomendadas em função da posição no campo, e o sistema de controle acionava o motor de passo para liberar aquela quantidade, garantindo a quantidade desejada de sementes em cada ponto do talhão.
Após os ensaios de campo foram obtidos os dados que se encontram na tabela abaixo.Abertura teórica e real do dosador em função da posição da semeadora no campo.
Os resultados obtidos nos ensaios de campo mostram que o desvio máximo de posicionamento do dosador de sementes foi de 1,18 mm, ou 3,2% do curso total, considerado baixo.
5. Análise da Acurácia Cinemática de um DGPS Comercial
A área experimental utilizada neste projeto, encontra-se no Campus "Luiz de Queiroz" da USP, no município de Piracicaba, Estado de São Paulo, com latitude de 22º43'05" S, longitude de 47º36'59" W e altitude em torno de 550 metros com relevo plano à suave ondulado.
Os pontos de controle foram demarcados em uma pista asfaltada, livre de obstruções físicas para o recebimento dos sinais dos satélites. Estes pontos foram dispostos ao longo de uma reta, sendo ao todo 11 pontos distanciados por 10 metros um do outro.
Foi utilizado um distanciômetro eletrônico com acurácia de ± 5mm + 5ppm para a realização de um levantamento topográfico dos pontos de controle, utilizados como referências na experimentação. Os dados obtidos foram processados por meio do software TOPOESALQ 3.0-Plus.
No georreferenciamento do levantamento dos pontos de controle, foi utilizado um par de receptores GPS geodésicos, que possui acurácia centimétrica. Este equipamento utiliza a portadora L1 para os cálculos de posicionamento e possui correção diferencial pós-processada.
Para a experimentação do GPS em condições cinemáticas, foi utilizado um receptor GPS específico para a Agricultura de Precisão. O equipamento dotado de 12 canais, utiliza o código C/A para os cálculos de posicionamento e é conjugado à um microprocessador 486 DX-2 de 66 MHz.
Como estação base GPS, foi utilizado um receptor que possui 12 canais, recebe o código C/A e portadora L1. A distância entre o ponto base GPS e os pontos de controle foi de aproximadamente 100 metros.
Para a correção diferencial em tempo real, foram utilizados um rádio transmissor e um rádio receptor de 35 W e de 2 W, respectivamente.
Um notebook Pentium de 166 MHz e 16 MB de RAM foi utilizado durante os ensaios e tinha por função executar um software específico criado em turbo C++, que realizou o monitoramento e aquisição dos dados. O conjunto foi montado sobre uma plataforma móvel como ilustram as figuras a seguir.
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Receptor da base do DGPS e plataforma móvel sobre o trator.
Os resultados obtidos nos ensaios cinemáticos com o DGPS utilizado estão contidos na tabela abaixo.
*Médias seguidas de mesma letra não diferem entre . **As médias foram transformadas por x0,3 para uma maior homogeneidade da variância.
6. Desenvolvimento de um Sistema Automático para Aplicações a Razões Variáveis de Sementes e Fertilizantes
Para o desenvolvimento de um sistema automático para aplicações a razões variáveis de sementes e fertilizantes, foi adquirido um sistema comercial de controle, e foi utilizado o DGPS com correção em tempo real já descrito. Um notebook contem o programa de controle de aquisição de dados. Este sistema foi montado em uma plataforma móvel que simula o deslocamento da máquina no campo, para aprendizado do funcionamento do sistema, como mostram as figuras abaixo.
O sistema está sendo ensaiado em campo utilizando-se um mapa de prescrição de sementes e adubo, para aplicação localizada a razões variáveis destes insumos.