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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
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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.
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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.
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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
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. 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
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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
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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
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Leonel Alejandro Pineda Enriquez estudiante de quinto semestr
de Licenciatura en Tecnologia en 1a Facultad de Estudio
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Hector Alejandro Vargas Angulo estudiante de quinto semestr
de Ingenieria Mecanica Electrica en la Facultad de Estudio
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Omar Eduardo Valdez Hernandez estudiante de quinto semestr
de Ingenieria Mecanica Electrica en la Facultad de Estudio
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