Proyecto realizado por el alumno/a: Almudena García Gonzálezvano) que sobrevuela la parcela de cultivo, desplazándose sobre bandas de rodadura estabilizadas, realizadas en tierra

Proyecto realizado por el alumno/a:

Almudena García González

Fdo.: …………………… Fecha: ……/ ……/ ……

Autorizada la entrega del proyecto

EL DIRECTOR DEL PROYECTO

M. Jean-Marc Vouriot

Fdo.: …………………… Fecha: ……/ ……/ ……

Vº Bº del Coordinador de Proyectos

D. José Ignacio Linares

Fdo.: …………………… Fecha: ……/ ……/ ……

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

ESTUDIO DE VIABILIDAD DE UN PROTOTIPO DE TRACTOR PARA HORTICULTURA

Autor: Almudena García González Director: Jean-Marc Vouriot

Madrid Junio 2011

ESTUDIO DE VIABILIDAD DE UN PROTOTIPO DE TRACTOR

PARA HORTICULTURA

Autor: García González, Almudena.

Director: Vouriot, Jean-Marc

Entidad colaboradora: ICAM Toulouse – Institut Catholique d’Arts et Métiers

RESUMEN DEL PROYECTO

El proyecto consiste en el estudio de viabilidad de un prototipo de tractor para

horticultura bautizado como Eole Tract por su inventor, el Sr. Pierre Bouhours, ya

existente y fabricado en Normandía, Francia. Se persigue el rediseño de una

estructura que permita una mejor integración de los diferentes componentes,

partiendo del prototipo original y de las experiencias del cliente, siguiendo criterios

de rentabilidad económica y de legislación vigente en cuanto a homologación de

máquinas agrícolas automotrices.

Este tractor parte de la idea de un pórtico motorizado de 12 metros (10 metros de

vano) que sobrevuela la parcela de cultivo, desplazándose sobre bandas de rodadura

estabilizadas, realizadas en tierra compactada. De esta manera se evita compactar el

terreno cultivable, por lo que es necesaria una menor potencia para trabajar el suelo.

La velocidad de trabajo mínima es de 100 m/h y la máxima para el desplazamiento

por carretera 7 km/h. La cabina se desplaza a lo largo del vano para realizar

diferentes pasadas por una misma banda de cultivo. Según se realicen operaciones de

cultivo del suelo o de deposición de redes protectoras para el mismo, las

herramientas estarán a diferente altura del suelo, por lo que la viga superior tiene una

carrera de 1 metro en sentido vertical. Para cambiar de banda de cultivo o

desplazarse por carretera, las ruedas realizan una rotación de 90º, gracias a coronas

de orientación. Para ello es necesario separar el tractor del suelo, mediante dos

muletas de adecuada superficie de apoyo.

Las diferentes áreas que se han abordado en este proyecto han sido las

siguientes: sistema de desplazamiento, dimensionado estructural de la viga superior,

dimensionado energético y sistema de guiado.

Todas estas áreas están interrelacionadas entre sí, de manera que un cambio en

una de ellas condiciona las demás. Por ejemplo, un cambio en el modelo de grupo

electrógeno modifica las dimensiones del flanco, el peso del conjunto, el

dimensionado de la superficie de contacto entre el neumático y el suelo, etc.

De entre las posibilidades estudiadas para el sistema de desplazamiento, la

solución elegida es la de instalar neumáticos de baja presión y gran anchura, para que

la presión sobre el suelo sea la menor posible en la relación peso del

tractor/superficie de contacto de las ruedas sobre el suelo, ya que la sustentación de

la máquina es uno de los principales problemas planteados por el cliente. Con este

sistema se alcanza una presión sobre el suelo de 842 g/cm2, suficiente para evitar la

compactación del suelo.

Para el dimensionado estructural de la viga superior es necesario considerar

todas las hipótesis de cargas (peso de la viga, cabina y herramientas de trabajo,

fuerza del suelo sobre los útiles de labrado, bloqueo súbito de uno de los lados del

tractor) y simular mediante el programa PATRAN/NASTRAN utilizando diferentes

perfiles, partiendo de una viga triangular de 10 metros de largo y 1,5 metros de base.

Se utilizarán perfiles de sección tubular y perfiles HEA.

El dimensionado energético tiene en cuenta los motores que accionan las

diferentes partes del tractor. Se han considerado las versiones con motores 100%

eléctricos, y una combinación de motores eléctricos e hidráulicos, realizando

demandas de suministro a varios fabricantes de motores. El requerimiento de

potencia son 75 kW, que serán proporcionados por un grupo electrógeno, situado en

un costado del tractor.

El sistema de guiado elegido entre las diferentes soluciones (filoguiado, guiado

por láser, por GPS, por cámara de visión y por brújula electrónica) es el de guiado

mediante brújula electrónica. Para comprobar la validez de este sistema se ha

realizado una maqueta a escala 1:10 del Eole Tract y se ha empleado un autómata

programable para el programa de guiado. La brújula proporciona una dirección con

respecto al Norte magnético, y en función de la lectura inicial (rumbo deseado) y de

las sucesivas lecturas en el avance, se corrige la velocidad de avance de los dos

costados del tractor para que no se desvíe de su trayectoria. Este principio de guiado

ha proporcionado los resultados esperados, con desviaciones del orden de 3 cm. La

precisión de la brújula ensayada no permite mejores resultados, por lo que en un

tiempo futuro se deberían realizar los ensayos con una brújula de mejores

prestaciones (precisión, compensación en masas metálicas, compensación en

inclinación) y sustituir el autómata programable por un microcontrolador.

La concepción final propuesta en este proyecto se puede ver en la siguiente

figura.

FEASABILITY RESEARCH ON A GARDENING TRACTOR

PROTOTYPE

This project consists of the feasibility research on a gardening tractor prototype,

called Eole Tract by his inventor, M. Pierre Bouhours, already made and having been

manufactured in Normandy, France. The aim of the project is to redesign a structure

that will allow the best integration of its different components. Considering the

original prototype and the client’s experience, and attending to economic profitability

and also according to legal requirements and applicable legislation on self-motive

farming machines.

The main idea is to make a 12 meter long motorized portico (10m opening) that

flies over the farming plot, moving on flattened land rolling bands. Cultivable soil is

in this way not flattened, so less power is required to work on it. Minimum farming

speed is 100 m/h, and maximum road displacement speed is 7 km/h. The cabin

moves along the cavity to row several times over the same cultured band. Depending

on the operation selected, either cultivating or spreading protective nets, the tools

will be situated in different heights from the ground, so the upper beam can elevate 1

meter. To change from one band to another, wheels can rotate 90º, by means of

orientation crown gears. To achieve this, it is necessary to elevate the tractor from

the ground, which is done thanks to two properly dimensioned supports.

Different areas have been studied in this project: displacement system, structural

upper beam and energy dimensioning and a guiding system.

All of these areas are related between themselves, so a change in one of them

leads to a change in the rest: for example, a change in the generating set dimensions

modifies the flank size, the tractors weight, the contact surface between the tyre and

the ground, etc.

Several possibilities have been studied for displacement system, and the selected

one is to install low pressure and large width tyres, in order to reduce as much as

possible the pressure on the ground. This problem was one of the client’s priorities.

Concerning the structural dimensioning, every load hypothesis must be

considered (beam, cabin and working tools, ground force on the farming tools, and a

tractor’s side unexpected block) simulating with PATRAN/NASTRAN software

using different beam profiles. The basis are 10 meter long and 1,5 meter for the

triangular base. Tubular section and HEA profiles have been used.

The energy dimensioning considers the engines that activate the different parts

of the tractor. All-electric and, a mix of electric and hydraulic versions have been

considered, sending several requests sent to various engine suppliers. The power

needed is 75 kW, given by a generating set.

The guiding system selected among different solutions (wire, laser, GPS, vision

camera guiding) is the electronic compass. To check the system’s validity, a model

has been constructed on a 1:10 scale, and a programmable logic controller has been

used. The compass provides one direction related to magnetic North, and from an

initial data reading (the wished course) and successive ones, speed in both tractor

sides is corrected to maintain the course. This guiding principle has fully covered the

expectations.

The final conception proposed is shown on the next picture.

Índice general

1. Introducción y planteamiento del proyecto

1.1. Descripción general del proyecto

1.1.1. Objeto del proyecto

1.1.2. Contexto

1.1.3. Motivación del proyecto

1.2. Introducción a la tecnología de la horticultura

1.2.1. Descripción y funcionamiento de un tractor

1.2.1. Maquinaria para la recolección de frutas y verduras

1.3. Descripción del prototipo y de las exigencias del cliente

1.4. Seguridad y homologación

1.4.1. Seguridad laboral

1.4.2. Seguridad vial

2. Descripción de las tecnologías

2.1. Sistema de desplazamiento

2.1.1. Compactación

2.1.2. Cómo detectar la compactación

2.1.3. Causas y tipos de compactación

2.1.4. Reducción de la presión en el suelo

2.2. Sistema de guiado

2.3.1. Sistemas de asistencia al guiado

2.3.2. Filoguiado

2.3.3. Guiado por láser

2.3.4. Guiado por GPS

2.3.5. Guiado por cámara de visión

2.3.6. Guiado por brújula electrónica

2.3.7. Comparación de las distintas soluciones

2.3.8. Conclusiones

3. Descripción del modelo desarrollado

3.1. Cálculo de la fuerza ejercida sobre las herramientas de trabajo

3.1.1. Perfil y textura del suelo

3.1.2. Resistencia del terreno y sección de labor

3.1.3. Fuerza y potencia necesarias para tirar del arado

3.2. Potencia de la toma de fuerza

3.3. Cálculo de la presión en el suelo

3.3.1. Cálculo de la superficie de contacto

3.4. Comparación de neumáticos

3.4.1. Cálculos

3.4.2. Resultados

3.5. Dimensionamiento de la viga superior

3.5.1. Modelado de la estructura

3.5.2. Hipótesis de cargas

3.5.3. Simulación y cálculo de la resistencia

3.5.4. Cálculo del efecto de vuelco

3.6. Dimensionamiento energético. Motores y grupo electrógeno

3.6.1. Dimensionamiento energético

3.6.2. Elección del grupo electrógeno

3.6.3. Elección de los motores


3.7.1. Brújula electrónica. Características

3.7.2. Principio de guiado

3.7.3. Diseño de la maqueta

3.7.4. Programa del autómata de control

3.7.5. Metodología de los ensayos

3.7.6. Conclusión y apertura

4. Análisis de resultados y conclusiones


4.2. Dimensionado estructural de la viga superior

4.3. Dimensionado energético. Motores y grupo electrógeno


4.5. Acciones futuras propuestas

5. Bibliografía

6. Anexos

6.1. Artículo sobre el CTF y las bandas de paso de las ruedas (Fruits & Légumes)

6.2. Dosier de homologación de máquinas agrícolas automotrices (MAGA)

6.3. Sistema de orugas Soucy Track

6.4. Presupuestos Trimble para el guiado del Eole Tract y de las herramientas

6.5. Proposición técnica y comercial Nav On Time (sistema GPS)

6.6. Datasheet de la brújula analógica 1655 Analog Compass (Dinsmore)

6.7. Datasheet de la brújula CMPS09 (Robot Electronics)

6.8. Artículo sobre diferentes marcas y modelos de arado (La France Agricole)

6.9. Fichas técnicas sobre los diferentes neumáticos comparados (Michelin y

Goodyear)

6.10. Ficha técnica del grupo electrógeno (SDMO)

6.11. Presupuesto de la solución eléctrica (MABÉO)

6.12. Información sobre las ruedas empleadas en la maqueta (Guitel Point)

6.13. Datasheet de los motores utilizados en la maqueta (Crouzet)

6.14. Datasheet de las baterías 12V (RS)

6.15. Datasheet del láser de posicionamiento (RS)

6.16. Datasheet del autómata CD20S (Crouzet)

6.17. Programa de guiado del autómata

6.18. Información proporcionada por el software del autómata

6.19. Datasheet de los relés de los motores (Tyco)

6.20. Presupuesto general de la maqueta

6.21. Datasheet de la brújula Revolution GS (True North Technologies)

6.22. Información sobre pórtico motorizado Leroy Somer

1

Introducción y

planteamiento del proyecto

1. Introducción y planteamiento del proyecto 2

1. Introducción y planteamiento del proyecto

1.1. Descripción general del proyecto ___________________________________ 3

1.1.1. Objeto del proyecto __________________________________________ 4

1.1.2. Contexto __________________________________________________ 6

1.1.3. Motivación del proyecto ______________________________________ 8

1.2. Introducción a la tecnología de la horticultura ________________________ 11

1.2.1. Descripción y funcionamiento de un tractor ______________________ 11

1.2.1. Maquinaria para la recolección de frutas y verduras ________________ 13

1.3. Descripción del prototipo y de las exigencias del cliente ________________ 19

1.4. Seguridad y homologación _______________________________________ 25

1.4.1. Seguridad laboral ___________________________________________ 25

1.4.2. Seguridad vial _____________________________________________ 27


Este capítulo se compone de una primera parte introductoria en la que se tratan

los aspectos más generales del proyecto: detalles sobre el objeto y el contexto en el

que se sitúa, la motivación y el destino del mismo, además de una breve introducción

a la tecnología existente en la actualidad.

En la parte central de este capítulo se analizará de la necesidad del cliente a

satisfacer, teniendo en cuenta la normativa vigente en cuanto a seguridad y

homologación de dicho vehículo, tanto en la circulación por carretera como en el

trabajo realizado en el campo de cultivo.

A lo largo de los siguientes capítulos se desarrollarán los diferentes problemas

encontrados en la realización del presente proyecto, tanto la elección de cada

tecnología de a utilizar de entre las numerosas existentes, como las consideraciones

de dimensionamiento estructural y energético. A continuación se presentarán los

resultados alcanzados hasta la fecha y las conclusiones sobre el estudio realizado así

como posibles acciones futuras a emprender para su mejora.

1.1. Descripción general del proyecto

El proyecto consiste en el estudio de viabilidad del prototipo de tractor (basado

en la idea de un pórtico motorizado), bautizado como Eole Tract por su inventor,

destinado a labores de horticultura (Fig. 1. 1).

Fig. 1. 1: Prueba del prototipo Eole Tract en terreno llano


Se estudiarán los diferentes aspectos que forman parte de la concepción del

tractor partiendo del prototipo existente, para lo cual es necesario definir las

necesidades que han de ser cubiertas en cuanto a guiado, dimensionamiento

estructural y dimensionamiento energético, con vistas a una producción en serie de

unas 30 máquinas al año.

1.1.1. Objeto del proyecto

El desarrollo del proyecto tiene como objetivo el análisis y redefinición del

concepto de tractor agrícola Eole Tract. Partiendo de un prototipo de pórtico

motorizado fabricado por el Sr. Pierre Bouhours, en Normandía, Francia (Bouhours

& Cie. SARL, de ahora en adelante “el cliente”), y bautizado como Eole Tract, se

persigue el diseño de una estructura que permita una mejor integración de los

diferentes componentes, partiendo de los datos de la concepción inicial suministrados

por él. En función de las subvenciones y financiación de los diferentes organismos de

innovación y desarrollo que el cliente llegue a reunir (OSEO y FEDER)1, se

contempla la construcción de un segundo prototipo en el que se vean reflejadas las

soluciones técnicas adoptadas en el presente estudio de viabilidad, así como las

soluciones adoptadas en el futuro.

1 OSEO-ANVAR : Agence Nationale de Valorisation de la Recherche, concede subvenciones a emprendedores de proyectos innovadores. Agrupa las competencias de la agencia francesa de innovación, del banco de desarrollo de las PME (Pequeñas y Medianas Empresas) y de la agencia de las PME.

FEDER : Fondo Europeo de Desarrollo Regional


Fig. 1. 2: Localización del prototipo del cliente, en Bernay, Normandía.

El trabajo se ha realizado por tanto en colaboración con el cliente, que ha

contribuido a orientar el proyecto hacia una u otra dirección en cuanto a las

tecnologías a aplicar en el tractor en función de las reflexiones hechas por él mismo

que le condujeron a construir el primer prototipo.

Se persigue optimizar el compromiso entre aquellas variables que se consideran

más importantes para el desarrollo del proyecto:

Rentabilidad económica

Legislación y normativa vigentes

Integración de los componentes en la estructura

Fig. 1. 3: Vista general de la estructura del Eole Tract


1.1.2. Contexto

El Eole Tract se centra en el segmento de mercado de la horticultura

convencional y ecológica.

La horticultura proviene etimológicamente de las palabras latinas hortus (jardín,

huerta, planta) y cultura (cultivo) y clásicamente significaba “cultivo en huertas”; el

término se aplica también a la producción de hortalizas e incluso a la producción

comercial moderna.

Es el cultivo de verduras y de algunas frutas, de algunas finas hierbas y flores de

uso alimenticio, de manera intensiva o extensiva y profesional, es decir, la

horticultura se encuentra dentro de la venta para el consumo (supermercados, venta

al por mayor en centros de alimentación, venta a la industria agroalimentaria…). Los

horticultores trabajan en la propagación de las plantas, mejora de las cosechas,

abonos de las plantaciones e ingeniería genética, bioquímica y fisiológica de la planta

y el almacenaje, procesado y transporte de fruta fresca, frutas del bosque, frutos

secos y verduras. También mejoran el rendimiento de las cosechas, su calidad y su

valor nutricional, sus resistencia a los insectos, enfermedades y a los cambios

ambientales.

La agricultura ecológica (también llamada orgánica o biológica) es un sistema

para cultivar una explotación agrícola autónoma basada en la utilización óptima de

los recursos naturales, sin emplear productos químicos de síntesis, u organismos

genéticamente modificados (OGM), ni para abono ni para combatir las plagas,

logrando de esta forma obtener alimentos orgánicos a la vez que se conserva la

fertilidad de la tierra y se respeta el medio ambiente, todo ello de manera sostenible y

equilibrada.

Los principales objetivos de la agricultura orgánica son la obtención de

alimentos saludables, de mayor calidad nutritiva, sin la presencia de sustancias de

síntesis química y obtenidos mediante procedimientos sostenibles. Este tipo de

agricultura es un sistema global de gestión de la producción, que incrementa y realza

la salud de los agrosistemas, inclusive la diversidad biológica, los ciclos biológicos y


la actividad biológica del suelo. Esto se consigue aplicando, siempre que sea posible,

métodos agronómicos, biológicos y mecánicos, en contraposición a la utilización de

materiales sintéticos para desempeñar cualquier función específica del sistema. Esta

forma de producción, además de contemplar el aspecto ecológico, incluye en su

filosofía el mejoramiento de las condiciones de vida de sus practicantes, de tal forma

que su objetivo se apega a lograr la sostenibilidad integral del sistema de producción

agrícola, es decir, constituirse como un agrosistema social, ecológico y

económicamente sostenible.

Según el Ministerio francés de Alimentación, Agricultura y Pesca, la producción

francesa de verduras representa 3,3 Md€, que se traduce en cerca de 140 000 zonas

de cultivo que utilizan mano de obra. Francia se sitúa como en tercer país productor

de frutas y verduras de la Unión Europea. La tasa de crecimiento de las explotaciones

agrícolas aumenta más de un 10% cada año.

La mano de obra se hace especialmente necesaria en la recolección de las

verduras de invierno. Dicha labor se efectúa después de un periodo de heladas y

nevadas que transforman los campos de cultivo en verdaderos barrizales. La mano de

obra no es suficiente ya que las condiciones físicas de trabajo son

extraordinariamente duras. En este contexto de intentar solucionar los problemas de

fuerza de trabajo existentes se sitúa el tractor Eole Tract, que busca entre otras

cuestiones mejorar las condiciones de trabajo de los empleados y el rendimiento

energético con respecto a las máquinas agrícolas clásicas.


Fig. 1. 4: Modo de explotación del Eole Tract

El producto va dirigido a la fracción de agricultores cuyos terrenos de cultivo

son superiores a 3 ha (1 ha = 104 m2), cuya necesidad de mano de obra es muy

elevada.

Otra característica del Eole Tract es que circula siempre por las mismas franjas

de tierra compactada, dejando cultivable todo el espacio bajo el pórtico, es decir, 10

metros en el modelo estudiado (como se verá más adelante, se proyectan dos

versiones del tractor, la de 12 m de largo en total y otra de 18 m, siendo el vano en

cada una de ellas de 10 y 16 m). De esta manera aumenta la superficie cultivable en

el campo.

1.1.3. Motivación del proyecto

El análisis de la situación existente en la horticultura, basado en la experiencia y

observación del cliente, pone de manifiesto las dificultades que encuentran los

profesionales de este dominio en el ejercicio de su profesión, tales como coste de la

mano de obra, la compactación de los suelos como consecuencia de la intervención

mecánica y prohibición del uso de moléculas químicas, sin que haya alternativas de

sustitución (problema presente igualmente en los cultivos convencionales).


Con el proyecto Eole Tract se pretende modernizar la agricultura ecológica

gracias al saber mecánico-industrial, al mismo tiempo que se sustituyen las energías

fósiles por energías limpias, renovables, y se genera empleo y desarrollo local.

El proyecto Eole Tract ha sido concebido bajo la idea de un pórtico motorizado

suspendido sobre la parcela de trabajo, que circula sobre bandas de tierra

compactada. El objetivo perseguido con esta concepción es evitar la compactación

del suelo utilizable como consecuencia de la circulación de un tractor convencional

sobre el mismo: las ruedas compactan la tierra que posteriormente es labrada. Al no

compactarse la tierra de cultivo, la potencia necesaria en el arado de la tierra es

menor, con lo que se logra un ahorro energético.

Esta idea no viene sólo del inventor del Eole Tract: el CFT (Controlled Traffic

Farming) aboga por la localización del tráfico en la parcela. Esta práctica, surgida en

el Reino Unido en los años 70, cogió impulso en Australia hace una década y

también se puede ver hoy en cultivos de Dinamarca y los Países Bajos. Con esta idea

se pretende limitar la compactación del suelo a unas zonas de paso de las ruedas

permanentes y a ralentizar la erosión. Cada operación de cultivo utiliza las mismas

huellas de rodado2.

La adaptación de las herramientas sobre la cabina del tractor permite tanto las

operaciones de preparación del suelo como las de cosecha.

La aparición del Eole Tract supone una ruptura en los modos actuales de cultivo:

Es ideal para todos los tipos de cultivo, tanto convencional como ecológica,

principalmente en el área de las frutas y verduras:

- Permite recoger el cultivo bajo todo tipo de condiciones climáticas sin que

dichas labores se vean afectadas por el estado del terreno.

- Permite depositar más rápidamente las redes protectoras de gran anchura para

proteger los cultivos frente a problemas como las heladas, el granizo y los

insectos.

2 El artículo completo sobre esta técnica se puede consultar en el anexo 6.1.


- Permite la irrigación a presiones más bajas que las habituales, e igualmente

una irrigación enterrada, con lo que se economiza en agua, sin que exista

riesgo de aplastamiento de los cultivos.

- La logística de las operaciones sobre el terreno se optimiza: con dicho tractor

se incrementa en un 25% la ganancia de la superficie cultivada frente a un

tractor convencional.

Fig. 1. 5: Comparativa de la superficie de cultivo utilizable entre el Eole Tract (izda) y un tractor

convencional (dcha).

Supone una adaptación a las nuevas técnicas de deshierbe (supresión de malas

hierbas en la zona de cultivo) y desarrollo sostenido:

- Posibilidad de superposición de cultivos: se pueden plantar leguminosas en una

plantación de gramíneas en proceso de crecimiento (sinergia mineral del azote3).

- Permite el trabajo en profundidades de la tierra menores (a 3 cm de profundidad),

con lo que se ahorra en potencia del tractor y en esfuerzos sobre los útiles de trabajo.

- Permite la esterilización y desinfección térmica del suelo.

- Permite realizar pasadas frecuentes sobre una misma franja de terreno, ya que

“sobrevuela” los cultivos.

3 Acción conjunta de dos o más órganos o formaciones anatómicas hacia un fin común./ Acción de diversas sustancias sobre el metabolismo, de tal forma que cuando actúan conjuntamente el rendimiento es mayor que la suma de los rendimientos de cada una de ellas actuando por separado (Diccionario Enciclopédico Vox 1. 2009 Larousse Editorial, S.L.)


- El rendimiento energético es superior al del resto de tractores convencionales: al

compactar el suelo en menor medida que estos últimos, se requiere menor potencia

para trabajar dicho suelo.

- Disminución de la necesidad de mano de obra: permite una mayor automatización

de los trabajos de cultivo y cosecha.

1.2. Introducción a la tecnología de la horticultura

En este epígrafe se tratan someramente distintos aspectos relacionados con la

tecnología de la horticultura, en particular: descripción de un tractor y del

funcionamiento de sus diferentes partes, y maquinaria utilizada en horticultura.

1.2.1. Descripción y funcionamiento de un tractor

Un tractor es un vehículo que se usa para arrastrar o empujar remolques, aperos

u otra maquinaria o cargas pesadas. Hay tractores destinados a diferentes tareas,

como la agricultura, la construcción, el movimiento de tierras o el mantenimiento de

espacios verdes profesionales (tractores compactos). Se caracterizan principalmente

por su buena capacidad adherencia al terreno.

Su uso ha posibilitado disminuir sustancialmente la mano de obra empleada en

el trabajo agrícola, así como la mecanización de tareas de carga y de tracción que

tradicionalmente se realizaban con el esfuerzo de animales (asnos, bueyes, mulas).

Un tractor tiene uno o varios sistemas de accionamiento para utilizar aperos. Un

tractor agrícola habitualmente tiene en la parte posterior un sistema de tres brazos

(actuadores y tensor), denominado enganche tripuntal, mediante el cual levanta y

baja la herramienta acoplada como un arado, una empacadora, una picadora,

segadora, o una abonadora. Los dos brazos inferiores son accionados habitualmente

por una bomba hidráulica mediante un distribuidor, que a su vez es movida por el

motor del vehículo. El sistema tripuntal efectúa un movimiento plano de cuadrilátero

articulado; de los tres brazos, el de arriba es extensible para poder regular el apero.


Hoy en día están equipados con sistemas electrónicos de sensibilidad para que

cuando se produzca más fuerza de la normal se desplace hacia arriba para evitar

roturas del tractor.

Fig. 1. 6: Enganche tripuntal (izda) y componentes del mismo: A- brazos de elevación, B- brazos tensores,

C- cadenas estabilizadoras, D- eslabón central, E-barra de tiro, F- brazos del enganche (tractor marca John Deere)

Para el accionamiento de algunas herramientas, los tractores agrícolas suelen

llevar una toma de fuerza, que consiste en un eje nervado que es accionado por el

motor del vehículo mediante una transmisión de engranajes. La transmisión del

movimiento rotativo de dicha toma de fuerza a la herramienta se realiza

habitualmente mediante un árbol de transmisión articulado con dos juntas cardan.

Por norma existen 2 tipos de revoluciones 540 o 1000 rpm, que hacen girar la espiga,

pero normalmente hay muchas medidas disponibles.

Todos los tractores del mercado llevan un sistema paralelo hidráulico con el

elevador para poder suministrar un caudal de aceite a los aperos. Por norma el

sistema hidráulico suele tener una presión máxima de 220 bar y un caudal máximo

de 300l/min, pudiendo ser todo esto regulado por el operador.

Hoy en día en el mundo agrícola va por delante del mundo de la automoción en

electrónica, muchos tractores equipan desde hace años un sistema de diagnóstico de

Bus Can , es decir un sistema de dos cables que recorren todo el tractor (can hi y can

low) que aportan información de todos los sensores, potenciómetros, reguladores... y

que son captadas por controladores. Un tractor puede tener los siguientes

controladores: motor, transmisión, suspensión delantera, suspensión cabina,


controlador cabina, controlador hidráulico, toma de fuerza, elevador posterior,

climatizador y controlador apoyabrazos (el 60% del tractor se maneja desde una

consola adjuntada en apoyabrazos derecho del asiento del conductor).

1.2.1. Maquinaria para la recolección de frutas y verduras

La recolección mecánica de frutas y hortalizas se halla en la actualidad en muy

diferentes grados de realización, según los diversos tipos de cultivos y, aun dentro de

cada uno de ellos, según que el producto se dedique a la transformación en la

industria o al consumo en fresco.

El mayor o menor desarrollo en la mecanización de un cultivo ha dependido y

depende de la mano de obra existente en la zona o de las posibilidades de conseguirla

en los períodos punta con mano de obra eventual. La evolución de la población

agraria en los países más desarrollados indica que previsiblemente en un futuro

próximo todo producto que no pueda mecanizarse desaparecerá de la lista del

consumidor por no poder competir económicamente con aquellas frutas y hortalizas

recolectadas mecánicamente.

La recolección mecánica, tanto de frutas como de hortalizas, ha experimentado

un gran avance desde su iniciación en los años 1960 y muy especialmente en los

últimos diez años. Así, en principio, para la recolección de frutas se pensaron y

diseñaron pequeños elementos de ayuda al operario, tales como sacos de recogida y

plataformas de recolección. Para la recolección de hortalizas, los problemas son muy

diferentes de unos cultivos a otros y, por consiguiente, los sistemas empleados.

Algunos de los cultivos se hallan en un período muy incipiente de mecanización y

otros, por el contrario, tienen prácticamente solucionado el problema,

fundamentalmente los dedicados a su transformación industrial. Se destaca la puesta

en marcha, recientemente, de la selección electrónica por color y su aplicación a

productos como tomate, patata, cebolla y a la fruta en general.

Recolección de lechuga


La lechuga es un importante cultivo, cuyos costes de recolección oscilan entre el

45 y el 55 por 100 de los costes totales de producción. Actualmente, su recolección

es manual y selectiva; el operario selecciona las lechugas maduras y las corta, siendo

esta operación lenta y trabajosa, ya que muchas de las lechugas deben tocarse antes

de cortar para conocer su estado de madurez.

En Estados Unidos, este proceso de recolección se está intentando mecanizar

desde hace bastante tiempo y concretamente en los estados de California y Arizona,

que producen el 85% de las lechugas del país.

El sistema actual de recolección consiste en grandes plataformas con una cinta

transportadora perpendicular a los surcos que se desplaza a lo largo de ellos (fig.

20.29). Cada operario (normalmente hay entre 12 y 20 por máquina) selecciona,

corta y deposita la lechuga en la cinta transportadora; estas lechugas pasan a la

plataforma, en donde se limpian, embalan en plástico perforado y se meten en cajas

de cartón que se depositan en el suelo. Posteriormente, estas cajas se transportan en

forma de palet a la central, donde en túneles de vacío se enfrían y preparan para el

transporte. Este sistema se aplica a otros cultivos hortícolas como brócoli, coliflor,

etc.


Fig. 1. 7: Banda transportadora suspendida al tractor. Los operarios recogen el producto y lo depositan en la

banda que se encarga de llevarlas al remolque

Las cosechadoras de lechuga integrales en fase de desarrollo son de tipo

selectivo, ya que todavía no se ha conseguido una variedad de lechuga que madure

de un modo uniforme. El sistema de selección y corte que actualmente se está

ensayando es el siguiente:

Selector mecánico de lechugas: está formado por dos rodillos de goma que

comprimen lateralmente cada lechuga; si ésta es suficientemente gruesa y firme,

vence la tensión de un muelle y se acciona un circuito que manda una señal al

elemento de corte y una cuchilla corta la lechuga; en caso contrario, los rodillos

pasan por la cabeza sin afectarla. Los rodillos están accionados mecánicamente y

tienen una velocidad periférica igual a la de avance de la máquina. Las lechugas

cortadas son recogidas por unas bandas de goma que las elevan a la banda de

transporte.

Selector de rayos : selecciona las lechugas en base a la densidad y diámetro de

la cabeza. La cabeza de selección (Fig. 1. 8) consiste en una fuente radiactiva y


un detector de rayos . Los rayos atraviesan la lechuga y parte de ellos son

absorbidos; el detector, en función de la cantidad de rayos absorbidos, acciona o

no el sistema de corte. Similar a este sistema existe otro selector de rayos basado

en la emisión de rayos X. Este sistema de radiaciones se ha ensayado en EEUU,

pero no está permitido en la Unión Europea.

Fig. 1. 8: Selector de lechugas mediante rayos Υ

Recolección de melones

Durante los últimos años se ha trabajado en el desarrollo de una máquina

selectiva para la recolección del melón tipo “Cantaloup”.

Sin tener en cuenta el método de recolección, el melón necesita ser recogido de

una forma selectiva debido a la poca uniformidad en su maduración. Normalmente,

la recolección es manual, con pases sucesivos entre cinco y quince veces para una

recolección completa. Los operarios están ayudados por bandas transportadoras que

circulan transversalmente a las líneas y sobre las que los recogedores colocan los

melones maduros. Con estas ayudas se reduce enormemente la penosa labor de

recolección y transporte.

Varios originales diseños de recogedoras selectivas de melones se han llevado a

cabo, sin que su empleo se haya generalizado todavía. Uno de ellos (Fig. 1. 9)

consiste en hacer pasar las matas de melón sin ser arrancadas del suelo sobre una

banda de goma y unas cadenas transversales situadas detrás de la máquina. La

velocidad de estos elementos para no dañar la planta es igual y opuesta a la de


avance de la máquina. El melón maduro, al llegar a las cadenas cae por su propio

peso a una cinta transportadora que lo deja en el lateral del surco, y la planta, con el

resto de melones no maduros queda otra vez en el terreno para una recolección

posterior.

Fig. 1. 9: Esquema de una máquina recogedora de melones

Otro sistema más sencillo consiste en varias filas de dedos de goma verticales

que mueven perpendicularmente al sentido de avance de la máquina. Estos dedos, en

sucesivas pasadas, van orientando la planta desde su comienzo en la dirección

perpendicular al avance, y cuando los melones están maduros los va arrancando y

colocando en la parte lateral del surco.

En Japón, se están desarrollando múltiples robots de aplicación agrícola pero

fundamentalmente para la recolección de melones y sandías.

Recolección de otros productos hortícolas

En todos los productos hortícolas se ha trabajado y se sigue trabajando para

realizar su recolección mecánica de una forma satisfactoria.


La recolección mecánica de fresas presenta el problema de que debe realizarse

escalonadamente, debido a su falta de uniformidad en la maduración. Diversos

sistemas mecánicos se están ensayando en varios países: peines recogedores,

aspiradoras, dientes vibradores, etc. Sin llegar todavía a unos resultados

satisfactorios. La solución adoptada para fresa destinada a la industria es la

recolección masiva, utilizando variedades de maduración concentrada.

Otros frutos, como frambuesas, grosellas, etc. se están recolectando

mecánicamente mediante cosechadoras de contacto con dedos vibradores, con unos

resultados muy satisfactorios.

Para la recolección de uvas pasas se han diseñado máquinas especiales que

extienden y recogen una banda de papel. Estas bandas de papel, colocadas entre las

filas de cepas, sirven para que las uvas se sequen al sol, y una vez secas, las

máquinas recogen la banda sobre un rodillo y las pasas caen sobre un cajón.

La recolección mecánica de apio se realiza con máquinas especiales que

mediante unas cuchillas enterradas cortan la planta con ayuda de dos cintas

prensoras. Estas cintas giran en sentidos contrarios, y a la vez que orientan las

plantas sobre una cuchilla de discos para su limpieza, las transportan a una tolva

incorporada a la máquina.

Similarmente se realiza la recolección de zanahorias (Fig. 1. 10) mediante unas

bandas prensoras de las hojas y al mismo tiempo elevadoras, cuyo movimiento

combinado con el del avance de la máquina ejerce una tracción vertical sobre la raíz,

que es de este modo elevada. Dentro de la máquina existen unas barras de

movimiento de traslación, que orientan las zanahorias para que sean cortadas por un

disco cortador y transportadas mediante una banda a una tolva.


Fig. 1. 10: Método de arranque de zanahorias por tracción mediante bandas de goma inclinadas. a)

Resultante vertical (Vp) de las velocidades de avance (Va) y de arrastre (Vr). b) Fuerzas que actúan sobre el tallo de la zanahoria: N, fuerzas normales, Fp fuerza de tiro.

Otras máquinas para cultivos muy específicos, como pimiento, coliflores, coles

de Bruselas, etc. se hallan en período de experimentación con resultados muy

prometedores.

1.3. Descripción del prototipo y de las exigencias del cliente

Actualmente existe un prototipo diseñado por M. Bouhours en colaboración con

empresas subcontratadas locales que se dedican a actividades de forjado y

construcciones industriales metálicas, así como actividades de motorización

hidráulica y de pilotaje de motores.


Fig. 1. 11: Montaje del prototipo en Normandía

El Eole Tract se pilota en dos modos: el modo campo y el modo carretera.

El esquema de las operaciones realizadas en modo campo se puede ver en la Fig.

1. 14. El principio de funcionamiento es el siguiente: el pórtico motorizado Eole

Tract se desplaza a lo largo del campo sobre bandas de rodadura estabilizadas,

realizadas en tierra compactada. Queda entonces un vano de 10 metros (16m en su

prototipo actual) entre los costados izquierdo y derecho del tractor que permite

sobrevolar los cultivos y realizar las operaciones agrícolas sin perjudicar el estado

del terreno en la superficie de cultivo a causa del peso del tractor que soportan las

ruedas (Fig. 1. 4).

Fig. 1. 12: Prueba funcionamiento del Eole Tract sobre el campo de cultivo, en Normandía


La cabina se desplaza a lo largo del vano para realizar las diferentes pasadas por

la misma banda de cultivo. Es capaz de rotar 180º (gracias a una corona de

orientación): cuando se realiza la primera pasada y se llega al extremo del campo, la

cabina gira para que el agricultor se sitúe de nuevo frente a su parcela y, mediante la

inversión del sentido de giro de los motores, realiza el camino en el sentido inverso.

Fig. 1. 13: Detalle del desplazamiento de la cabina a lo largo del vano del tractor

Según se realicen operaciones de cultivo del suelo o de deposición de redes

protectoras para el mismo, las herramientas estarán a diferente altura del suelo. Para

conseguir esto, la viga superior tiene una carrera de 1m en sentido vertical. La

velocidad mínima de trabajo es de 100 m/h, ya que algunas operaciones requieren la

colaboración de operarios en las inmediaciones del tractor (recogida manual de

puerros, los operarios irían subidos en la herramienta que sobrevuela la parcela).


Fig. 1. 14: Esquema de las diferentes etapas de funcionamiento del Eole Tract en el modo de trabajo en el

campo

Fig. 1. 15: Esquema de las diferentes etapas de funcionamiento del Eole Tract en el modo de cambio de banda

En la Fig. 1. 15 se describen las etapas para realizar el cambio de banda de

cultivo. En esta operación es necesario elevar la máquina para separarla del suelo y

poder realizar el giro de las ruedas 90º para pasar al modo de desplazamiento en

sentido longitudinal, para lo que se han instalado coronas de orientación en las

ruedas. El levantamiento de todo el tractor se lleva a cabo mediante unas muletas

1 posicionamiento sobre el campo

2 levantamiento/bajada de las htas

3 accionamiento de la toma de fuerza

4 cultivo del suelo

5 llegada al final de la banda estabilizada


7 traslación de la cabina


9 cultivo del suelo


1 levantamiento lados dcho e idzo 6 levantamiento lados dcho e idzo

2 orientación de las ruedas lados izdo y dcho 7 orientación de las ruedas lados izdo y dcho

3 bajada de los lados izdo y dcho 8 bajada de los lados izdo y dcho

4 rotación cabina 9 rotación cabina

5 avance sobre las 4 ruedas hasta la banda siguiente


dimensionadas para tener la superficie de apoyo suficiente para que eleven la

máquina sin hundirse en el suelo.

Fig. 1. 16: Detalle de las ruedas y los actuadores hidráulicos

En el modo de desplazamiento por carretera (Fig. 1. 17), el tractor se posiciona

en la configuración descrita anteriormente para el cambio entre las bandas de

rodadura. Existe un volante en la cabina que no se utiliza para el desplazamiento por

el campo pero sí para el desplazamiento por carretera. Las ruedas en este modo giran

para seguir el camino descrito por la carretera.

Fig. 1. 17: Desplazamiento del Eole Tract sobre la carretera

Es importante destacar que en el desplazamiento a lo largo de las bandas de

rodadura la orientación de las ruedas se bloquea, es decir, se logra que el tractor gire

actuando sobre la velocidad de los lados izquierdo y derecho, mediante un joystick

potenciómetro que acelera o decelera cada uno de los dos motores de las ruedas (uno

por cada lado). Este será un parámetro muy influyente en el modo de funcionamiento

del tractor e influirá en la estrategia adoptada para la elección del sistema de guiado.

1levantamiento lados

dcho e izdo

2orientación de las ruedas

lados izdo y dcho

3bajada de los lados izdo y

dcho

4 rotación cabina

5desplazamiento sobre la

carretera


Es necesario mejorar diferentes aspectos del prototipo existente:

Todos los aspectos concernientes a seguridad vial y laboral (ver epígrafe

siguiente) para la homologación del Eole Tract.

Exigencia de disponer de cuatro ruedas motrices con giro a 360º en lugar de

las dos ruedas motrices que tiene el prototipo.

Reducir el peso de la estructura, que en la actualidad está cercano a las 10

toneladas, para evitar compactar el suelo.

Mejorar el sistema de desplazamiento de la cabina con el fin de obtener un

posicionamiento preciso de las herramientas de trabajo (pasar a una

transmisión por piñón-cremallera).

Mejorar el sistema de levantamiento de la viga (1m).

Mejorar el sistema de rotación de las ruedas.

Evaluar las diferentes posibilidades de motorización (de preferencia 100%

eléctrica). El prototipo actual funciona con un motor térmico.

Los problemas prioritarios planteados por el cliente a los que se dará respuesta

en el presente estudio de viabilidad serán los que derivan del elevado peso de la

máquina y del sistema de avance sobre el terreno de cultivo.

Los neumáticos actuales de que dispone el tractor son insuficientes cuando el

terreno no está seco, es decir, después de un periodo de lluvias o de heladas. La

inestabilidad del suelo hace que la máquina se hunda en el terreno y sea incapaz de

arrancar. Para ello se estudiará la capacidad portante del suelo y los diferentes

sistemas de desplazamiento para respetar dicha capacidad teniendo en cuenta el peso

de la máquina.

El otro problema principal es que se producen diferencias en el avance de los

lados izquierdo y derecho como consecuencia del patinaje de uno de los costados o

de obstáculos en las bandas de rodadura. Cuando un costado se acelera más que el

otro, el tractor gira y se sale de las bandas de rodadura. Actualmente el cliente


cuando pilota el Eole Tract tiene que estar demasiado pendiente de no salirse de

dichas bandas, actuando constantemente sobre los potenciómetros que rigen la

velocidad de ambos lados, por lo que su atención no se centra en el cultivo. Por ello

desea que se conciba un sistema de guiado que permita al conductor dedicarse

principalmente al trabajo agrícola sin tener que dedicar demasiada atención a la

conducción.

La velocidad de trabajo se ha fijado en un mínimo de 100 m/h sobre el campo y

de 7 km/h sobre la carretera.

1.4. Seguridad y homologación

Todas y cada una de las decisiones adoptadas en las distintas áreas del proyecto

(motorización, suministro energético, dimensiones, sistema de guiado) deben estar en

concordancia con la normativa vigente en cuanto a seguridad en el trabajo y

seguridad vial.

1.4.1. Seguridad laboral

Es necesario conocer que:

a) Los accidentes mortales (en relación al número de obreros) en la agricultura

en España ocupan el tercer lugar después de la minería y de la construcción.

En el año 2000 se declararon 44.143 accidentes, de los cuales 121 fueron

mortales y 1.129 graves.

b) Más del 50% de los accidentes de tipo mecánico en la agricultura ocurren a

trabajadores de menos de veinte años o de más de sesenta de edad, por falta

de conocimiento y de precaución.

c) Además de los problemas humanos que comportan, la incidencia económica

de los accidentes de trabajo es abrumadora.

Los operarios que trabajan en el tractor, ya sea pilotándolo o en los alrededores

del mismo (recolección manual de frutas y verduras) deben ver su integridad física


asegurada en todo momento, por lo que se debe prever cualquier riesgo de accidentes

en la manipulación del tractor y en consecuencia disponerse los medios necesarios

para evitarlos (sensores de presencia para evitar colisiones de los operarios con las

ruedas en el avance del tractor, con la cabina y con los útiles de trabajo,

señalizaciones luminosas y sonoras para advertir de las maniobras de desplazamiento

de la cabina a lo largo del vano de la viga superior, protección de la toma de fuerza

del tractor, sistemas que aseguren una buena visibilidad del operario situado en el

interior de la cabina para realizar las maniobras, etc.).

Las normas a respetar en este aspecto son las siguientes:

Normas ISO 3449 y 3471, concernientes a la estructura de protección de la

cabina con sistemas anticaída de objetos (FOPS) y estructura de protección

antivuelco (ROPS).

Norma EN 15695 sobre sustancias nocivas para la salud tales como polvo,

aerosoles y vapores, durante las labores de pulverización o de esparcimiento.

Directiva 78/764/CEE: asiento del conductor (ergonomía).

Directiva 77/311/CEE: nivel sonoro en los oídos del conductor.

Directiva 86/297/CEE: toma de fuerza.

Directiva 80/720/CEE: espacio de maniobra y de acceso al puesto de

conducción.

Directiva 86/415/CEE: mandos seguros y correctamente identificados.

Directiva 89/173/CEE: protección de los elementos motores.

Directiva 89/173/CEE: uniones mecánicas con los vehículos remolcados.

Directiva 76/432/CEE: frenado.


1.4.2. Seguridad vial

En el desplazamiento por carretera la seguridad también debe ser garantizada,

tanto para el conductor del Eole Tract como para el resto de conductores que

circulan por la vía pública.

Esto conlleva respetar ciertas restricciones en cuanto a las dimensiones de las

máquinas que circulan por carretera, señalización, frenos de emergencia, etc. Todas

estas restricciones afectarán al diseño del Eole Tract y a la integración de los

componentes en la estructura general.

Las principales restricciones que afectan al proyecto son las referentes a las

dimensiones y a la visibilidad. El largo total de la máquina no debe sobrepasar los 12

metros, ya que en caso contrario sería necesario que el tractor fuera acompañado de

un vehículo de acompañamiento. La anchura total no debe sobrepasar los 3,50

metros. En cuanto al vano bajo la viga, es necesario que algún sistema materialice el

gálibo. Se dispondrán paneles de señalización cada 3 metros, para indicar la

continuidad de la máquina.

En cuanto a la iluminación, el vehículo deberá tener un sistema de alumbrado

completo, que permita el trabajo nocturno así como la visibilidad en carretera, para

ver y para ser visto (Fig. 1. 18).


Fig. 1. 18: Sistema de alumbrado de un tractor

El campo de visión del conductor es un aspecto crítico a vigilar. En el dosier de

homologación para las máquinas agrícolas automotrices (MAGA), disponible en el

anexo 6.2, se proporcionan fórmulas para el cálculo de dichos efectos.

2

Descripción de las

tecnologías

2. Descripción de las tecnologías 30

2. Descripción de las tecnologías

2.1. Sistema de desplazamiento _______________________________________ 31

2.1.1. Compactación _____________________________________________ 31

2.1.2. Cómo detectar la compactación _______________________________ 32

2.1.3. Causas y tipos de compactación _______________________________ 33

2.1.4. Reducción de la presión en el suelo ____________________________ 36

2.2. Sistema de guiado ______________________________________________ 40

2.3.1. Sistemas de asistencia al guiado _______________________________ 41

2.3.2. Filoguiado ________________________________________________ 42

2.3.3. Guiado por láser ___________________________________________ 46

2.3.4. Guiado por GPS ___________________________________________ 50

2.3.5. Guiado por cámara de visión __________________________________ 56

2.3.6. Guiado por brújula electrónica ________________________________ 59

2.3.7. Comparación de las distintas soluciones _________________________ 61

2.3.8. Conclusiones ______________________________________________ 63


En este capítulo se describen las tecnologías existentes que han sido aplicadas

en las diferentes necesidades del proyecto.

De esta manera, se exponen a continuación las diferentes propuestas

tecnológicas evaluadas para las diferentes áreas:

Sistema de desplazamiento del Eole Tract

Sistema de guiado del mismo

Al final de cada área se indica la solución escogida para la misma, de la

misma manera que se explica la razón de dicha elección. Para la definición de cada

solución elegida ha sido necesario realizar una serie de cálculos, que se detallan en el

siguiente capítulo.


Uno de los principales reclamos comerciales del Eole Tract es que permite el

trabajo en el campo en cualquier estación. Para que el tractor sea capaz de

desplazarse sean cuales sean las condiciones climáticas (heladas y nevadas en

invierno que levantan el suelo, transformándolo en un barrizal), es necesario respetar

ciertas restricciones de presión a nivel del suelo, ya que de otro modo el tractor se

hundiría en el suelo y sería incapaz de arrancar.

2.1.1. Compactación

La compactación es la desaparición de parte del espacio poroso del suelo,

especialmente de los macro poros, lo cual trae como consecuencia una menor

aireación a nivel de raíces, menor capacidad para retener agua y nutrientes y

finalmente una mayor impedancia para el desarrollo de las raíces.

El tamaño y peso de las máquinas agrícolas, el uso de neumáticos inadecuados a

altas presiones de inflado, y la cosecha en condiciones de suelo húmedas (por

ejemplo en invierno) provocan problemas de compactación en las capas superficiales

y subsuperficiales del suelo. El tráfico de neumáticos sobre el terreno ha sido


reconocido por la mayoría de los investigadores como la principal causa de una

indeseable compactación del suelo.

Estudios efectuados por universidades, asociaciones de agricultores e institutos

de investigación comprueban que es un problema generalizado:

Universidad de Purdue: relevó que más de la mitad de la superficie del estado

de Indiana es susceptible de compactación. La evaluación efectuada

comprobó que la reducción en los rendimientos se dio por encima del 50% en

los suelos severamente compactados y por encima del 25% en los

moderadamente compactados.

Universidad de Iowa: realizaron un test durante tres años y comprobaron que

las parcelas labradas con rodado de orugas rindieron un 14% más.

Universidad del Estado de Kansas: compararon el uso de cubiertas

convencionales con orugas de goma y comprobaron incrementos en el

rendimiento del 5 al 6% para una rotación trigo – sorgo.

Australia. Asociación de Productores de algodón de Nueva Gales del Sur e

Irricorp. Technologies: comprobaron diferencias en los surcos que pisa la

rueda del tractor. Diferencias de un 29% en los rendimientos. Las mayores

con el uso de rodados duales.

Instituto de Agricultura de Moscú: los científicos de este instituto tienen datos

de hace más de 20 años de pérdidas de rendimiento ocasionadas por el uso de

rodados inadecuados. Hay datos que demuestran las mayores pérdidas con

rodados duales.

2.1.2. Cómo detectar la compactación

Existen diferentes maneras de detectar la compactación:

Diagnóstico visual: este método es poco seguro y solamente proporciona una

indicación para proceder a un test de compactación. Los indicios son: plantas

enclenques y enanas a pesar de haber utilizado una fertilización adecuada,

una infiltración más lenta del agua de superficie, ausencia de lombrices (signo


de una falta de aire, de dureza del suelo) y observación del perfil del terreno y

del desarrollo de las raíces tras desenterrar con ayuda de una pala las plantas

de la zona sospechosa.

Hacer un perfil del suelo: es el método irrefutable para identificar el principio

y final de la capa compactada y hacer un diagnóstico de compactación.

Utilizando un penetrómetro de mano o un cuchillo, se puede medir la

resistencia a la penetración horizontal. Esta técnica puede convertirse

rápidamente en una tarea laboriosa ya que es necesario hacer varios perfiles

del suelo para establecer un diagnóstico.

Utilizar una sonda-penetrómetro con medidor de pantalla: aunque esta técnica

confirme que el suelo no está compactado, será necesario hacer al menos un

perfil del suelo para confirmar y establecer un diagnóstico final de

compactación. La sonda debe introducirse lentamente en el suelo, y la

profundidad del suelo donde se registre un aumento de la presión y una

posterior bajada de la misma constituyen a priori el principio y el final de la

capa compactada, respectivamente.

2.1.3. Causas y tipos de compactación

Si bien el tráfico de neumáticos sobre el terreno ha disminuido respecto a la

labranza convencional, se debe tener en cuenta que aplica sobre el suelo no solo el

peso propio de las máquinas sino también importantes fuerzas de tracción y

vibraciones, ya que la acción de los neumáticos agrícolas provoca hundimiento,

compactación del suelo y resistencia a la rodadura. Solo bajo circunstancias

excepcionales, los suelos agrícolas tienen suficiente resistencia como para soportar

las cargas aplicadas sobre su superficie sin exceder su límite elástico, lo cual produce

un deterioro físico cuyo carácter y extensión depende de las propiedades del suelo,

del neumático y de las complejas interacciones existentes entre ellos.


Para un suelo dado, la distribución de la compactación en el perfil es función de

la carga aplicada, la presión ejercida por el rodado, el estado de humedad y la

intensidad de tránsito recibida.

Se ha demostrado1 que la presión de contacto influye sobre la compactación

superficial. Sin embargo, la compactación del subsuelo, por debajo de 400 mm de

profundidad, está directamente influenciada por el peso de los vehículos, en forma

independiente de la presión. Este fenómeno es, a menudo, acumulativo y

permanente.

Hay tres tipos diferentes de compactación del suelo: la compactación superficial

(situada a menos de 20 cm), la compactación profunda (a partir de 30 cm, pudiendo

llegar hasta los 60 cm) y entre medias de los dos, se suele encontrar una

compactación que viene dada por la huella de la labor. La huella de la labor es una

capa de suelo muy densa que se encuentra inmediatamente bajo las pasadas

frecuentes de los discos del arado (“charrue” en la ilustración, ver Fig. 3. 1).

Fig. 3. 1: Esquema de los tipos y profundidades de compactación por diferentes causas: de izda a derecha,

arado, tractor, remolque y subsolador

La compactación superficial es menos perjudicial que la profunda, y es causada

por neumáticos inflados incorrectamente, por el trabajo excesivo del suelo y sobre

todo por el tráfico de maquinaria. Para luchar contra este tipo de compactación, se

1 Smith y Dickinson, 1990, véase bibliografía


puede recurrir a un arado convencional. Se recomienda hacer el menor trabajo del

suelo posible que contribuya a disgregar el terreno y a convertir sus agregados en

más finos y por tanto más adherentes, problema que sobreviene cuando se forma una

costra dura en la superficie del suelo después de la lluvia. El ciclo de hielo-deshielo

favorece también a la fragmentación del suelo en sus primeros centímetros. El

mantenimiento de una tasa de materia orgánica permite reducir considerablemente la

susceptibilidad del suelo superficial. La solución preventiva consiste en utilizar

neumáticos radiales que pueden ser inflados a bajas presiones (del orden de 0,8 -1

bar), o instalar ruedas acopladas.

La huella de la labor está presente generalmente en los suelos arcillosos o limo-

arcillosos, y es causada por el paso frecuente del arado a la misma profundidad, un

mantenimiento inadecuado del arado y en concreto de los cuerpos del mismo. Para

solucionarlo se puede alternar la profundidad de labor entre 15 y 20 cm, ya que un

cuerpo con un perfil muy redondeado tenderá a aplastar el suelo que se encuentre

debajo, y la repetición del arado a la misma profundidad contribuirá a consolidar esta

capa. No se aconseja un arado a mayor profundidad ya que al traer el subsuelo hacia

la superficie se diluye la fertilidad del suelo. El cultivo de plantas con raíces

profundas como la alfalfa contribuye a agrietar esta capa.

Finalmente, la compactación profunda causa el mayor perjuicio y por tanto el

efecto de la misma sobre el rendimiento puede durar hasta una década en ausencia de

operaciones de subsolado. La capa compactada se encuentra a 30 cm de profundidad

y puede llegar hasta los 60 cm. Es causada principalmente por un peso en cada eje

del tractor superior a las 5-7 toneladas sobre suelo húmedo. Incluso con neumáticos

poco inflados o radiales, el peso por eje y el nivel de humedad del suelo son los

factores primordiales a considerar.

La función del rodado de un tractor agrícola, puede definirse como: ser el

vínculo entre el vehículo y el suelo, soportar un valor de carga normal impuesta y

brindar una superficie de contacto tal, que no sobrepase la capacidad portante del

suelo. Por último debe ser capaz de entregar una fuerza neta de tracción para arrastrar

los distintos aperos de trabajo que se desplazarán sobre un terreno agrícola siempre


deformable. Las altas presiones de contacto rueda/suelo aparecen como uno de los

factores responsables de la alteración de la densidad aparente, y llegan a ocasionar

los siguientes perjuicios:

Demora en la emergencia de plántulas

Plantas de menor altura que la normal para el cultivo

Hojas con coloraciones no características

Sistema radicular superficial

Malformación radicular

Encostramiento del suelo

Encharcamiento

Erosión excesiva

Aumento en la demanda energética para trabajar ese suelo

2.1.4. Reducción de la presión en el suelo

Entre las medidas de prevención de la compactación del suelo podemos

mencionar:

Sistemas de traslado a baja presión

Reducción del peso de las maquinas o mejorar la distribución de peso

Empleo de neumáticos de mayor diámetro y ancho

Reducción del número de pasadas

Emplear las presiones de inflado recomendadas para el peso a soportar

Evitar el trabajo sobre suelos húmedos.

De las medidas anteriores, se podrían aplicar el traslado a baja presión, una

reducción del peso del tractor y el empleo de neumáticos de mayor diámetro y

ancho. El Eole Tract se desplaza siempre por las mismas bandas de tierra, por tanto

no se puede reducir el número de pasadas, y tampoco es posible evitar el trabajo en

suelos húmedos: uno de los principales reclamos comerciales del proyecto es la

posibilidad de trabajar en condiciones climáticas difíciles, sobre todo en invierno.


Para reducir el valor de la presión en el suelo en el caso del Eole Tract, se

barajaron las siguientes opciones:

Pasar a neumáticos radiales de baja presión de inflado (0.7 bar) para aumentar

la superficie de contacto.

El uso de neumáticos radiales en lugar de diagonales permite aumentar en un

30% la superficie de contacto entre la rueda y el suelo (ver Fig. 3. 2). A

mayor superficie de contacto, la presión en el suelo será menor. Además

mejora la tracción ya que la huella es más ancha y hay un mayor número de

marcas del neumático en el suelo. Con esto no sólo se consigue reducir la

presión, sino también una mayor rentabilidad en tiempo y en combustible.

Fig. 3. 2: Comparación de la superficie de apoyo entre un neumático diagonal (izda) y uno radial (dcha)

Remplazar las ruedas por orugas (ver Fig. 3. 3). De este modo se aumenta la

superficie de contacto y se reduce la presión en el suelo, del mismo modo que

se reduce el hundimiento del neumático en el suelo (menor potencia

consumida en el arranque). La empresa canadiense Soucy Track está

especializada en el desarrollo de sistemas de orugas, y fabrica orugas para

diferentes modelos de tractores (la información sobre este sistema puede

consultarse en el anexo 6.3).


Fig. 3. 3: Sistema de orugas en un tractor agrícola convencional (izda) y reducción de la presión en el suelo

en comparación con neumáticos agrícolas convencionales.

Disponer de un tren de ruedas provisto de orugas entre las ruedas únicamente

para el trabajo en el campo (ver Fig. 3. 4 y Fig. 3. 5). Este sistema mejora la

capacidad portante de la máquina al aumentar la superficie de contacto.

Fig. 3. 4: Tren de ruedas con orugas de caucho/goma


Fig. 3. 5: Detalle de la concepción en el que se dispondría del tren de ruedas con orugas

Otra posibilidad existente en el mundo agrícola es la de acoplar las ruedas (Fig.

3. 6), sistema que ofrece mayor tracción que los convencionales, un aumento de la

superficie de contacto del tractor sobre el suelo, y por tanto una disminución de la

presión en el suelo, a la vez que permite una mayor capacidad de carga. Esta solución

no se proyecta para el Eole Tract porque aumentaría mucho el ancho de la banda de

rodadura por la que se desplaza el tractor.

Fig. 3. 6: Tractor con ruedas acopladas

La solución elegida para este proyecto será la de utilizar neumáticos de baja

presión en lugar de los neumáticos actuales de que dispone el prototipo. El resto de

soluciones han sido descartadas: el sistema de cuatro orugas es demasiado costoso a

juicio del cliente (80.000€), y el tren de ruedas provisto de orugas implicaría no

disponer de espacio para las muletas de elevación del tractor y utilizar dicho tren de


ruedas como muletas de apoyo y elevación del tractor en las operaciones de giro de

las ruedas. Después de consultar al fabricante de orugas Bridgestone, también se

descartó esa solución ya que según su opinión técnica las orugas no aguantarían el

peso de todo el tractor al ser utilizadas como muletas en las operaciones de

levantamiento del tractor para el giro de las ruedas.

Por consiguiente, se ha decidido pasar a neumáticos de baja presión. Se ha

realizado un estudio comparativo sobre diferentes modelos de neumáticos de

diferentes marcas, con el fin de estudiar las diferencias entre modelos de una misma

marca y compararlas con los modelos de otra marca. Este cálculo se desarrollará en

el siguiente capítulo.


Como ya se expuso en la descripción del prototipo en el capítulo anterior, a la

hora de realizar trabajos en el campo el tractor Eole Tract se desplaza por la parcela

en líneas rectas paralelas entre ellas.

Se plantea el problema de llegar a conseguir ese avance en línea recta, ya que las

cuatro ruedas son motrices (las cuatro reciben fuerza de un motorreductor situado en

el eje de cada rueda) y se generan diferencias de velocidad entre los lados derecho e

izquierdo de la máquina que la desvían de su trayectoria rectilínea.

Para paliar a este problema se han investigado tecnologías que permitan la

asistencia al pilotaje de la máquina (sistemas de ayuda al guiado) y también aquellas

que supongan la cuasi-automatización de la tarea de conducción de la máquina

(sistemas de autoguiado).

Dentro de los sistemas de guiado, se pueden realizar dos divisiones en función

del modo en que se corrigen las desviaciones del vehículo de la trayectoria

establecida:


Sistemas de asistencia al guiado: se basan en informar al conductor del

vehículo de la magnitud y el sentido de la desviación, y este se debe encargar de

actuar sobre los controles del vehículo para volver a la trayectoria ideal.

Sistemas de guiado autónomo: suponen el diseño de un sistema de control en

lazo cerrado que se encarga de actuar sobre los mandos del vehículo

manteniéndolo de forma automática en el camino correcto.

En la actualidad existen numerosas tecnologías de asistencia al pilotaje/pilotaje.

Se han investigado tanto tecnologías ya existentes en el sector agrario como la

posible aplicación de las existentes en otros campos (aviación y robótica, transporte y

recogida de cargas).

Las diferentes tecnologías investigadas han sido: filoguiado, guiado por láser,

guiado mediante cámara de visión, guiado mediante GPS y guiado mediante brújula

electrónica.

La idoneidad de uno u otro sistema dependerá de su grado de eficacia para

realizar la labor que se desea desarrollar. Es muy importante tener en cuenta, que en

el trabajo en campo, existen muchos otros factores que influyen en el guiado:

rugosidad del terreno, pendientes o laderas, tracción de las máquinas, características

físicas del suelo,… y que pueden condicionar la elección del sistema de guiado o

autoguiado a elegir. También es importante destacar que la precisión en la labor no

es igual si el sistema de guiado se instala en el volante del tractor, al circuito

hidráulico (ruedas motrices) o directamente a la máquina que realiza las labores.

2.3.1. Sistemas de asistencia al guiado

Aunque muchas marcas han desarrollado sistemas de ayuda al guiado, el

principio de funcionamiento es muy similar en todos ellos. Los más conocidos son la

Barra de luces (AgGPS 50 Lightbar de Trimble, Agrosat de GMV Sistemas,...) y el

sistema Parallel Tracking de John Deere. La mayoría de estos sistemas tienen en

común la flexibilidad de comunicarse con otros instrumentos de medidas como son

monitores de rendimientos, controladores.


Fig. 2. 1: Marcador agrícola Agrosat de GMW Sistemas (izda.) y marcador agrícola de Trimble (dcha.)

La barra de luces consiste en una barra horizontal con pequeños indicadores

luminosos. En el centro de la barra existe una luz de color o forma diferente, la cual

indica la dirección correcta de la pasada. Si la dirección no es la correcta las luces se

iluminan a izquierda y derecha, en mayor o menor número según la magnitud del

error cometido. El sistema Parallel Tracking una pantalla integrada en una consola

que permite visualizar la pasada ideal que debemos seguir.

Fig. 2. 2: Funcionamiento de la barra de luces

Para trabajar con un sistema de ayuda al guiado, el conductor de la máquina

agrícola realiza en primer lugar una pasada que servirá de referencia para todas las

demás. En esta primera pasada de referencia hay que marcar el inicio y el final de la

línea mediante dos puntos. Después de esto el equipo determina la posición de las

siguientes pasadas paralelas en todo el campo que vamos a tratar. Cuando se llega al

final de la pasada el conductor debe girar para iniciar la siguiente pasada,

indicándose en la barra de luces la distancia de aproximación a la nueva línea que se

debe seguir.

2.3.2. Filoguiado

Esta tecnología se emplea frecuentemente en los AGV (Automatic Guided

Vehicule), vehículos de guiado automático que se desplazan sin conductor. Están

diseñados para la recogida, transporte y depósito de cargas.


Fig. 2. 3: AGV de la empresa ASTI (Burgos)

De una elevada complejidad, los AGV se pueden dividir en tres partes bien

diferenciadas:

Bastidor del vehículo: es la parte del AGV que soporta el peso y los

elementos de desplazamiento tanto horizontal como vertical. Tomando la base

de una carretilla elevadora que se adapte a las necesidades de capacidad de

carga, altura de carga y descarga,... se suelen integrar todos los elementos

eléctricos, informáticos y mecánicos necesarios para el funcionamiento del

AGV.

Zona de carga: en función de la actividad que realiza el AGV se le equipa

con los elementos y suplementos necesarios para que se adapte perfectamente a

la carga.

Sistema de guiado: una diferencia importante entre los distintos tipos de AGV

es el sistema de guiado que utilizan. Una correcta elección del sistema de guiado

es el primer paso para la implantación con éxito de un AGV en una instalación.

El principio de funcionamiento del filoguiado es el siguiente: se instala en el

suelo un hilo que define el trayecto a seguir (dicho hilo puede ser depositado o

enterrado en el suelo a una profundidad de hasta 1 metro), y es recorrido por una

señal eléctrica de baja frecuencia (<10 kHz) suministrada por un generador, de

manera que se crea un campo electromagnético sobre el trayecto de la carretilla.

La carretilla incorpora tres ruedas, de las cuales la delantera es directriz/motriz y

las otras dos ruedas de la parte trasera son libres. Un juego de antenas fijadas sobre la

rueda motriz/directriz y sobre las partes fijas del AGV permite detectar el campo

creado por el hilo. Tras la amplitud de la señal captada por cada sensor, se corrige la

trayectoria del vehículo (ver Fig. 2. 4).


Fig. 2. 4: Esquema de funcionamiento del filoguiado

En el caso del Eole Tract, la señal eléctrica es detectada por un captor situado

sobre el hilo y un calculador situado en el tractor corrige en tiempo real la velocidad

de rotación de los motores de desplazamiento de los lados izquierdo y derecho2, con

el objetivo de que la máquina conserve su rumbo.

Dos sensores que actúan de manera exclusiva en función del sentido, situados en

la parte delantera y trasera de la máquina, permiten efectuar las idas y venidas sin

que sea necesario un reposicionamiento completo de la máquina en su sentido de

avance, como es el caso del modo de explotación del Eole Tract.

Si el posicionamiento del tractor en el extremo de la parcela es perfecto, el

principio de filoguiado es prácticamente análogo al del un carril virtual. Pueden

añadirse o modificarse tratamientos específicos para adaptarse al Eole Tract, ya que

la empresa contactada para estudiar esta proposición, COVERPLANT3 es al mismo

tiempo constructor y fabricante del sistema.

2 Motores de avance, en el desplazamiento el tractor no gira las ruedas, y por tanto los motores de orientación no intervienen en el problema de guiado.

3 Empresa que concibe, fabrica e instala un sistema de guiado automatizado, “Coverfilo 3000”, para las rampas de riego agrícolas.


Fig. 2. 5: Esquema de funcionamiento del filoguiado sobre el Eole Tract

Este método de guiado es muy sencillo aun siendo el de menor flexibilidad, ya

que las rutas de movimiento del tractor se limitarían a las rutas con el hilo instalado.

Este impedimento puede no ser determinante para instalación del sistema sobre el

Eole Tract, pero tiene otras limitaciones:

Es necesario enterrar un hilo que recorra cada banda de cultivo

(encarecimiento de la instalación).

Si el agricultor decide cambiar de cultivo, y por tanto de ancho de banda de

cultivo, o instalar herramientas asimétricas, sería necesario desenterrar el hilo y

volverlo a posicionar (demasiadas operaciones sobre el campo).

Este último problema podría ser parcialmente resuelto (con el límite del

recorrido lateral de la herramienta) si se conservara la instalación en el lugar original

y se desplazara la cabina en función de las nuevas condiciones.

En cuanto al análisis de la proposición comercial, se debe notar que este

principio de guiado ya ha sido aprobado y validado en explotaciones agrícolas

(rampas de riego), sobre una motorización eléctrica.


Como se vio en el capítulo anterior, el prototipo actual de Eole Tract utiliza una

motorización hidráulica que no ha sido optimizada. Las dimensiones, peso e inercia

de las máquinas son diferentes, todos ellos parámetros importantes que requieren,

según COVERPLANT, actualizaciones y puestas a punto en lo concerniente a

desarrollos/interfaces materiales y/o software específicos.

El gran argumento en contra de esta proposición es el elevado precio que

supondría una instalación de hilos en el terreno, pero sobre todo el deseo del cliente

de que el sistema de guiado esté embarcado, ya que el tractor será mucho más

vendible si puede funcionar autónomamente, sin que el agricultor se vea obligado a

hacer ningún tipo de instalación en su campo.

2.3.3. Guiado por láser

Los AGV equipados con una unidad láser giratoria, realizan barridos

identificando en su entorno el mayor numero de reflectores posibles para determinar

su posición en el mapa de la instalación que tienen en memoria.

Para realizar el mapa de la instalación se sitúan espejos catadióptricos en

posición vertical en puntos estratégicos de toda instalación. Estos espejos serán

puntos de referencia con los que calcular la posición del AGV, de la misma manera

que los faros son puntos de referencia para un barco que se acerca a la costa (Fig. 2.

6).

El escáner de láser realiza varias lecturas por segundo, y está equipado con un

motor de transmisión directo sin correas que mantener o con el riesgo de averiarse.

En estos sistemas se han añadido componentes ópticos para desplegar el haz y hacer

más fiable la recuperación de la señal. No existe una barra colectora, lo que mejora la

fiabilidad de las conexiones de alimentación/de transmisión. Es un láser de clase 1

que emite en el infrarrojo, y que no presenta ningún peligro para un uso continuado.

El algoritmo que calcula la posición de la carretilla se actualiza varias veces por

segundo.


La principal ventaja de este método de guiado es la increíble sencillez con la que

se puede crear una estación de descarga de palets o se puede modificar una ruta. En

apenas 10 minutos, una persona formada puede crear una nueva ruta, sin que sea

preciso realizar ninguna modificación en la instalación de los reflectores.

Fig. 2. 6: Elementos que intervienen en el funcionamiento del guiado por láser

En el ámbito de la agricultura, esta solución de guiado por láser se aplica en la

nivelación de terrenos agrícolas: con él se conseguían automatizar traillas y

motoniveladoras para el movimiento y refino de los terrenos agrícolas como campos

de arroz u otras superficies en las que la optimización del riego primero y la

automatización de las labores de cultivo después, necesitaban de gran calidad en la

ejecución de la nivelación.

Un sistema láser para nivelación está compuesto de un emisor láser que se

posiciona sobre un punto de la parcela y emite un plano láser, a una o dos pendientes,

que sirve de referencia para la máquina. Sobre ésta y en la vertical de la cuchilla se

instala un mástil al final del cual se sujeta un receptor láser capaz de recibir la señal

del emisor y con ella, conocer la corrección de subida o bajada de la cuchilla para

posicionar a cota la misma. Este tipo de órdenes puede ser manual, cuando el

operador es el encargado de accionar la subida y bajada de la cuchilla, o automático,

cuando es una electroválvula quien acciona la botella de movimiento de la cuchilla.

Las ventajas que el láser permite son, entre otras:

Una precisión de 1 centímetro a distancias de 300 metros del emisor y

receptor.

La capacidad de trabajar con cuantas máquinas estén en el entorno del láser.


La capacidad de automatización de la nivelación y por ende la mejora en

calidad de los resultados

La mayor comodidad de trabajo para los operadores

Fig. 2. 7: Sistema láser, emisor y receptor, empresa INTRAC

Otra aplicación de los sistemas de guiado por láser en la agricultura se encuentra

en la plantación de viñas (Fig. 2. 8). La plantación se realiza con plantadores

continuas que disponen de sistemas de guiado láser que permiten obtener un perfecto

paralelismo entre las líneas de cultivo, lo que es clave para usar marcos estrechos. El

sistema de guiado actúa sobre un cilindro que es capaz de desplazar la máquina

lateralmente respecto al tractor, corrigiendo automáticamente los errores de

conducción del tractorista. La alimentación de plantas es manual y un sistema

mecánico de hilo establece la equidistancia de plantas dentro de una misma línea.

Sin embargo, estos sistemas cuentan con algunas precauciones necesarias para el

correcto funcionamiento de estos equipos:

El radio de trabajo, para encontrarse en precisiones de 1 centímetro, se reduce

a 300 metros lo que hace necesario contar con varios puntos del emisor para

parcelas de mayores tamaños, como sería el caso del presente proyecto.

Es necesario tanto la visibilidad entre emisor y receptor, como mantener la

cota y pendiente entre ambos para recibir la señal del láser. Esto supone contar

con varias posiciones para el emisor en bancales o zonas de fuertes pendientes,

aunque no sería el caso del proyecto.

El calor hace que el rayo láser aumente su oscilación o vibración por encima

de la precisión requerida, y por tanto en momentos de calor es necesario

disminuir la distancia entre emisor y máquina.


Condiciones de trabajo donde haya niebla o polvo impiden la llegada del rayo

láser desde el emisor al receptor, pudiendo darse pérdidas de tiempo en el

trabajo mientras se eliminan o remiten dichas condiciones.

Un factor en contra de este sistema es que requiere la ayuda de dos operarios

para establecer la estación de orientación láser. El otro punto negativo de este

sistema es el coste de la operación de colocar los postes, que depende del marco de

plantación, del número de postes por hectárea y del material (metal o madera); se

suele realizar con la ayuda de una máquina clavapostes.

Fig. 2. 8: Plantadora con guiado láser (izda) y aspecto final de una nueva plantación

En el caso del Eole Tract, un receptor se situaría en cada uno de los extremos de

las bandas de cultivo, y otro receptor estaría embarcado en el tractor. Se corregiría la

velocidad mediante un algoritmo que actuara en cuanto se detectase una desviación

con respecto al punto hacia el que debería dirigirse el tractor, pero consecuentemente

a lo anteriormente citado, es posible que hubiera que colocar más de un poste por

banda, si estas tienen de largo más de 300 m.

Esta posibilidad de guiado ha sido desechada por la misma razón que el sistema

de filoguiado, ya que supone un elevado coste de acondicionamiento del campo y no

responde a los intereses comerciales del Eole Tract al requerir instalación externa a la

de la máquina.

Cabe destacar que tanto los sistemas de guiado por láser como los de nivelación

por este mismo medio han evolucionado hacia el sistema GPS, que ofrece una mejor

precisión (centimétrica) con respecto al láser, como se verá en el siguiente epígrafe.


2.3.4. Guiado por GPS

Los sistemas de guiado autónomo para maquinaría agrícola en una parcela de

cultivo han experimentado una rápida evolución a partir del uso generalizado de

receptores GPS. Estos sistemas permiten un ahorro de esfuerzo al conductor del

vehículo así como minimizar del gasto en combustible, semilla y agroquímicos al

reducir la aparición de huecos y solapes entre pasadas sucesivas sobre el terreno.

En comparación con la solución de guiado por láser, la llegada de estos sistemas

de posicionamiento global (GPS) ha permitido evolucionar a los sistemas láser hacia

sistemas controlados por satélite para mejorar parte de las limitaciones impuestas por

el sistema y en algunos casos precisión. Para ello se trabaja con sistemas GPS/RTK,

es decir, equipos de doble frecuencia que cuentan con una base de GPS, emisor, y un

equipo en la máquina, receptor, que mediante una comunicación de radio permiten

precisiones inferiores al centímetro. Es importante indicar que aunque la precisión

nominal del método GPS/RTK esté por encima del centímetro, la particularidad del

trabajo sobre un plano permite mejorar estas precisiones haciéndolas

subcentimétricas.

Existen en la actualidad gran variedad de marcas y modelos de diferentes

sistemas de ayuda al guiado, y también, aunque en menor cantidad, de sistemas de

autoguiado. Tanto en unos como en otros, la principal diferencia está en la precisión

(y también en el precio) del receptor GPS que estén utilizando. En líneas generales se

puede hablar de tres niveles de precisión:

Precisión submétrica: es aquella que se puede conseguir a través del sistema

de satélites públicos WAAS/EGNOS. Son correcciones gratuitas que permiten

una corrección diferencial (DGPS) de suficiente precisión como para realizar

labores de fertilización y tratamientos fitosanitarios (error de 20-30 cm).

También pueden contratarse correcciones privadas (véase siguiente punto).

Suelen ser los equipos más utilizados por los agricultores, especialmente por

aquellos con cultivos extensivos. Sus principales diferencias están en la forma de

transmitir la información al usuario (barras de luces, pantallas más o menos

grandes,…), los patrones de guiado que permiten seguir (rectas, curvas, curvas


adaptadas…) y en la opción de grabar o no las pasadas realizadas. Estos equipos

suelen permitir la conexión con receptores GPS que alcancen mayor precisión.

Precisión decimétrica: aquella que se consigue mediante sistemas de

corrección diferencial (DGPS) privados (Omnistar, Starfire), y que por lo tanto

requieren el pago de cuotas, o de otros sistemas públicos como los Radio-faro

(próximos a las costas), Internet o radio (muy poco utilizados). Tanto Omnistar

como Starfire tienen dos niveles de precisión submétrica (error de 20-30 cm) y

decimétrica (error de 5-10 cm). Estas precisiones decimétricas suelen ser

adecuadas para realizar siembras que no exijan gran precisión y por supuesto

labores de fertilización y abonado.

Precisión centimétrica: aquella proporcionada por una RTK (Real Time

Kinematic). Requieren de una estación RTK base de doble frecuencia (L1/L2)

física o virtual, y de un receptor RTK móvil de doble frecuencia (L1/L2)

montado en el tractor. Se entiende por estación física aquella montada en la

parcela o en la finca del usuario, que ha de ser adquirida por él mismo. En este

caso, el usuario no ha de pagar cuota alguna. Con la aparición de las redes

públicas de estaciones RTK, es posible ahorrarse la adquisición de la estación

base RTK física, utilizando una estación base RTK virtual generada por el

sistema de la red. Para ello es necesario disponer de una buena cobertura de

móvil para trasmitir esos datos de corrección (GPRS) vía GSM, o bien disponer

de conexión a internet y transmitir, si la distancia no es demasiado grande, las

correcciones vía radio VHF. Son, sin lugar a duda, los más precisos, y necesarios

para realizar plantaciones o siembras de alta precisión. Son sistemas que deben

conectarse mediante autoguiado al tractor o a la máquina que realiza la labor.

Así pues, el GPS ha permitido solventar algunas de las limitaciones del láser: el

radio de trabajo ha aumentado situándose en 5-10 km, la visibilidad entre emisor y

receptor no es necesaria siempre y cuando exista señal de radio, el calor o

condiciones atmosféricas no tienen la importante influencia que en el caso del láser,

etc. Frente a estas ventajas, es importante indicar que existe una importante

desventaja del GPS frente al láser y que no es otra que el coste actual de este tipo de


equipamiento, como se verá más adelante, que permite mantener con vida la

tecnología láser, máxime cuando por las razones de superficie y uso no se justifica la

inversión.

Existen sistemas de generación de rutas que permiten el guiado de un vehículo

agrícola a través de una parcela completa sin intervención alguna del conductor. En

ellos se han implementado distintos algoritmos que optimizan la ruta creada de forma

que se facilite el guiado y se permita un ahorro máximo de insumos4 en la zona de

cultivo.

La generación de las trayectorias por las que posteriormente se guía el vehículo

es la siguiente: en primer lugar, el conductor realiza una trazada que sirve como

referencia para que el sistema determine la posición de las siguientes pasadas

paralelas en toda la zona que se pretende tratar. Aunque esta metodología para crear

las rutas resuelve en gran medida el problema del guiado autónomo, carece de varias

características que se pretenden aportar en el proyecto actual:

El sistema global no se puede considerar totalmente autónomo debido a que

al final de cada trazada el conductor debe conducir de forma manual al vehículo

al comienzo de la siguiente.

No se definen métodos para elegir la colección de rutas óptima entre todas las

posibles.

La forma de establecer la trayectoria que se debe seguir es mediante lo que se

conoce como línea A-B. Consiste en situarse al comienzo de la primera pasada y

marcar el punto como punto A. La primera pasada se hace de forma manual y cuando

se llega al final se marca el punto como B. Una vez hecho esto, se ingresa el ancho

de trabajo y el sistema traza líneas paralelas a la original A-B separadas un ancho de

trabajo del apero usado. Para empezar el trabajo una vez programado el equipo se

debe guiar manualmente el tractor hasta una posición próxima al inicio de la pasada

y entregar el control al sistema pulsando la tecla correspondiente. Al llegar al final, el

4 Insumo: concepto económico que permite nombrar a un bien empleado en la producción de otros bienes. De acuerdo al contexto, puede utilizarse como sinónimo de materias primas o factores de producción.


tractorista debe volver a tomar de nuevo el volante para efectuar la maniobra de

aproximación a la pasada siguiente (Fig. 2. 9).

Fig. 2. 9: Determinación de la línea A-B (izda.) y generación de trayectorias curvas (dcha.)

Para el proyecto Eole Tract se expusieron las necesidades a satisfacer ante

diferentes fabricantes (Trimble, John Deere, Claas, Hemisphere…). Estos fabricantes

propusieron soluciones más o menos complejas que los otros, precisas en mayor o

menor medida y con un coste mayor o menor.

Trimble es el único constructor que garantiza la precisión buscada en el proyecto

para una velocidad de avance de 100 m/h (indispensable para el tipo de cultivo del

que es objeto el proyecto), comparativamente (1 a 1,6 km/h) con otros fabricantes de

soluciones GPS5.

Sin embargo, fuera de los grandes constructores de GPS, se contactó con una

empresa con sede en Toulouse, Nav On Time, empresa suministradora de soluciones

GPS, que parte sobre un sistema distinto de explotación de la señal GPS.

El principio del GPS está basado en la recepción de señales de satélites, de

sensores de tiempo (relojes atómicos) y sobre la sincronización de las señales entre el

emisor y el receptor. De esta manera se puede medir la distancia entre una base fija

(de tipo RTK) y uno o varios puntos del campo. Para obtener un sistema de

5 Consultar el presupuesto detallado para el guiado del tractor y de las herramientas con fecha del 11/10/2010 y el presupuesto para el guiado de las herramientas con fecha del 17/03/2011 en el anexo 6.4.


navegación a partir de la tecnología GPS, es necesario un sistema de posicionamiento

y un método de sincronización.

Las soluciones GPS que integran estas funciones son las mencionadas en la

primera parte de este epígrafe (Trimble, Hemisphere, y en total una decena de

fabricantes), son sistemas bifrecuencia (frecuencia normal y cifrada, de uso militar).

Esta tecnología se apoya en el pirateo de la señal militar, una práctica tolerada debido

a los beneficios económicos que conlleva. Como se verá más adelante en un cuadro

comparativo, estas soluciones son costosas ya que son propiedad de unas pocas

empresas (una bifrecuencia civil, no cifrada, está prevista para el 2020). Nav On

Time no piratea la señal militar. La precisión ofrecida por el módulo GPS

desarrollado por esta empresa se apoya en el perfecto dominio de la transmisión y

explotación de las señales de satélite.

Es necesario conocer el desplazamiento del centro de gravedad del Eole Tract y

la orientación (latitud). No es necesaria una referencia absoluta, solamente del

posicionamiento, ya que se trabaja con coordenadas relativas con respecto a una base

fija.

Se realizaría la memorización del rumbo de la banda en una primera pasada, que

puede hacerse con el tractor pero también con una bicicleta o de otra manera, y

después se discretizaría la trayectoria (para la posibilidad de realizar trayectorias

curvas).

El sistema Nav On Time se compone de:

Un terminal RTK: es una base fija posicionada próxima a la zona de

explotación. Debe estar posicionado muy precisamente ya que constituye la

referencia de medida. Consume poca energía y puede ser alimentada por una

batería 12V. Este terminal alcanza hasta 5 km. Sin embargo, no debe haber

zonas de sombras para la recepción de la señal.

Una o más antenas situadas en los puntos móviles a guiar.

Un desarrollo de software que permita la explotación de los datos de posición

para realizar el guiado del tractor.


En la reunión con dicha empresa, se proyectaron dos soluciones posibles de

guiado (la precisión de los sensores es de 2,5 cm por eje, X, Y y Z):

Solución 1: guiado a través de la línea paralela A-B con dos receptores

situados en el tractor y un tercero externo (Fig. 2. 10). Esta solución requiere un

desarrollo por parte de Nav On Time (adaptación del software existente), pero el

software sería capaz de explotar los datos de posición de los dos receptores

(antenas).

Fig. 2. 10: Esquema de la solución 1 propuesta por Nav On Time

Solución 2: se efectúa el guiado de un extremo sobre una trayectoria (como es

el caso del guiado clásico de un tractor), que es llevado posteriormente a través

de la paralela del campo. Se calcula la desviación lateral y angular (la medida de

este último es algo compleja ya que el avance a 100 m/h es lento). A

continuación una de las ruedas se controla con la otra, y ésta al terminal exterior,

con lo que se consigue mayor precisión: la antena 1 estaría pilotada sobre la

trayectoria por la antena RTK, y la antena 2 estaría controlada por la 1 para que

A1-A2 sea perpendicular a la trayectoria6.

6 Se puede consultar la proposición realizada por la empresa Nav On Time en el anexo 6.5. en el que se detalla el contexto del proyecto, las necesidades a cubrir, la proposición técnica y el presupuesto de dicha proposición.


Fig. 2. 11: Esquema de la solución 2 propuesta por Nav On Time

A continuación se muestra el esquema de la proposición final hecha por esta

empresa para guiar el Eole Tract mediante un sistema de GPS.

Fig. 2. 12: Proposición de Nav On Time para el guiado por GPS

2.3.5. Guiado por cámara de visión

Esta tecnología se emplea frecuentemente en los vehículos autoguiados. El AGV

reconoce mediante visión artificial una tira de espejo catadióptrico, calculando y

corrigiendo en cada instante la desviación existente entre el AGV y la ruta. En

función de la ruta que tiene cargada y la distancia obtenida mediante la visión


artificial el AGV realiza los movimientos de timón más adecuados para continuar

con la ruta prefijada.

En el ámbito agrícola, recientemente han aparecido en el mercado nuevos

sistemas de conducción basados en la visión artificial, con unos resultados muy

prometedores. Existen en la actualidad gran cantidad de proyector de investigación

orientados hacia esta tecnología. Actualmente podemos encontrar en el mercado

aplicaciones muy concretas como el sistema ECO-DAN, que trabaja sobre una línea

de cultivo o mucho más completo aún, el sistema ROBOCROP que trabaja con

cuatro líneas de cultivo (Fig. 2. 13). Estos equipos, montados sobre un cultivador con

desplazamiento hidráulico permiten su guía automática con una precisión mayor de

1cm, permitiendo, por ejemplo, el desherbado entre líneas en diferentes tipos de

cultivos. Estos sistemas pueden montarse sobre equipos de pulverización y otras

máquinas que exijan seguir exactamente las líneas de cultivo. El equipo podría

conectarse al sistema hidráulico de un tractor de manera que permitiera su

conducción.

Fig. 2. 13: Pantalla del monitor del sistema ROBOCROP

Se ha contactado con el fabricante de maquinaria CLAAS para tratar de

identificar un producto que responda al problema específico de guiado del Eole

Tract, parcial o totalmente. El sistema propuesto es el Cam Pilot.


Fig. 2. 14: Sistema de guiado por cámara Cam Pilot

El principio de funcionamiento se basa sobre un principio óptico de análisis de

imagen en 3D a partir de dos cámaras. Se pueden aplicar al Eole Tract dos modos de

explotación agrícola:

Guiado por búsqueda de línea en relieve: si una pequeña colina de tierra o un

surco (se requiere respetar unas dimensiones mínimas) ha sido trazado a lo largo

de una banda de cultivo, el sistema Cam Pilot es capaz de realizar las

operaciones de control del guiado sobre ese trazado. Se podría realizar este

relieve en el momento de la siembra y servir posteriormente de carril óptico para

todos los trabajos y desplazamientos del Eole Tract sobre esa banda. La

restricción importante es la de mantener, sobre un ciclo completo de cultura, la

forma de este relieve, lo que supondría ocasionales problemas en casos de lluvia

importante, por lo que sería necesario dimensionar el relieve del terreno en

consecuencia.

Guiado por detección de color (verde): una vez que las plantas han brotado a

una altura mínima, el sistema Cam Pilot es capaz de guiar una herramienta

enganchada en el tractor sobre las filas de plantas para trabajos intermedios o

para la cosecha. Este principio ya es operativo en algunos fabricantes de

instrumentación agrícola (como Vendée en Francia).


Fig. 2. 15: Diagrama sinóptico funcional técnico del sistema Cam Pilot

Pese a todo, esta solución precisa de una interfaz material y/o de software para

convertir la orden/actuación de corrección de ángulo en orden/actuación de velocidad

para las ruedas motrices.

2.3.6. Guiado por brújula electrónica

En la investigación preliminar para realizar un posterior desarrollo de un sistema

de guiado para el Eole Tract, desarrollada en epígrafes anteriores, ha quedado patente

que existen actualmente soluciones en el mercado que permitan hacer avanzar dicho

tractor en líneas rectas y, posiblemente, también en líneas curvas.

No obstante todas estas soluciones tienen aspectos negativos que no hacen de

ellas la solución idónea para resolver el problema actual de guiado, ya sea por su

elevado coste o por la necesidad de hacer un acondicionamiento adicional del

terreno.

Por tanto, se plantea como posible solución alternativa a las existentes en el

mercado el desarrollo de un sistema de asistencia al guiado gracias a la indicación de

un rumbo proporcionada por una brújula electrónica (también llamada compás o

magnetómetro).


La brújula es un instrumento que sirve para determinar una dirección sobre la

superficie terrestre por medio de una aguja imantada que siempre señala hacia el polo

magnético norte. En este proyecto se utilizará un módulo compás que presenta un

funcionamiento similar a una brújula, con la diferencia que puede aportar con una

salida digital de la orientación con respecto al campo magnético terrestre (salida en

modo PWM, bus I2C, serie, etc.). Para el manejo de la brújula digital es necesario el

uso de un microcontrolador7, que es un circuito integrado programable que contiene

todos los componentes de un computador, aunque de limitadas prestaciones. Este

microcontrolador servirá de interfaz entre el módulo compás y otro circuito destinado

a alguna aplicación que requiera de una entrada de orientación.

Otra tecnología diferente es la de los compases (brújulas) de efecto Hall. Estos

emplean sensores de efecto Hall los cuales, en presencia de una campo magnético

externo, suministran una tensión de continua, a través de una región de

semiconductor. Esta tensión es proporcional a la componente del campo magnético

que es perpendicular a la dirección del flujo. Es decir, si se coloca un sensor Hall

cerca de un campo magnético colocado en dirección vertical al sensor, obtendremos

una diferencia de tensión saliente proporcional a la fuerza del campo.

Sólo se ha encontrado una brújula en el mercado que funcione de esta manera, el

1655 Analog Compass de la marca Dinsmore, de fabricación estadounidense, que no

está compensada en inclinación8.

Un aspecto negativo de esta solución es el hecho de que las masas metálicas

próximas crean perturbaciones en la indicación del norte de la brújula. Para tratar de

eliminar las perturbaciones del campo magnético terrestre, debidas a los materiales

metálicos existentes en las proximidades, que generan una desviación en la medida

de la orientación, se utilizan esferas de hierro con imanes permanentes ajustables en

7 Excepto en brújulas con salida analógica, prácticamente inexistentes en el mercado en la actualidad.

8 La documentación relativa a este modelo de brújula puede consultarse en el anexo 6.6.


la base, mediante los cuales se compensan las desviaciones de las líneas de flujo

geomagnéticas, en lo que se conoce como brújulas compensadas en masa magnética.

En este proyecto se desarrollará un sistema que permita explotar la señal de

orientación dada por una brújula electrónica, la CMPS099, y corregir las desviaciones

angulares del tractor con respecto a esa orientación, para lo que será necesario

desarrollar un algoritmo de corrección. Hay que hacer notar que esta solución

permitiría el guiado del Eole Tract pero no el guiado de las herramientas.

Fig. 2. 16: Brújula electrónica CMPS09

Las pruebas y ensayos de esta solución de guiado sobre una maqueta a escala

1:10 del prototipo validarán la viabilidad o la no viabilidad de esta solución, como se

verá en el capítulo siguiente.

2.3.7. Comparación de las distintas soluciones

A continuación se muestra una tabla comparativa que recopila las diferentes

soluciones tecnológicas estudiadas, en términos de precisión, velocidad de trabajo,

posicionamiento inicial y sucesivas pasadas, guiado de la trayectoria y de la

herramienta de trabajo, coste de la infraestructura y coste de cada sistema unitario y

madurez del producto.

9 Consultar la información técnica en la datasheet del anexo 6.7.


Principio de guiado Fabricante

GPS/RTK Trimble

GPS/RTK Nav On Time

Cámara Cam Pilot CLAAS

Filoguiado Coverplant

Brújula electrónica

Precisión 2 a 3 cm 2 a 3 cm 3 a 5 cm 2 a 3 cm ¿?

Velocidades de funcionamiento para la precisión dada

100 m/h a

30 km/h máx.

Madelante y Matras

100 m/h a

30 km/h máx.

Madelante y Matras

80 km/h a

20 km/h máx.

Madelante

Al paso a 4 km/h máx. (pérdida de precisión si mayor veloc. a evaluar)

Madelante y Matras ¿?

Capacidad de trayectorias curvas

Sí Sí Sí Sí No

Posicionamiento en extremo de banda

A imaginar A imaginar A imaginar A imaginar A imaginar

Guiado del rumbo Automático Automático Surco/relieve o trazado verde sobre el suelo

Automático Automático en línea recta únicamente

Guiado de la herramienta

Sí No por el momento Sí Adaptación realizable No

Infraestructura específica

No Poste de la base RTK Surco o relieve Cable enterrado + generador +

energía local A priori no

Coste de la infraestructura

Con red RTK, abono de 200€/año

Si no, antena RTK en el suelo, 14.000€

Adaptación de algoritmos existentes

58.000€

Bus CAN 30.000€ (opc.)

Si guiado del rumbo: surco o

relieve

Cable en función de la superficie cultivable

(ej.: cable armado/5 ha: 4.000€)

Ninguno

Coste del guiado del rumbo

21.000€ c/u 9.500€ c/u 12.500€ c/u 13.500€ material + puesta a punto

Fabricación 4.000€ c/u ¿?

Coste del guiado de la herramienta

34.000€ c/u ¿? 17.300€ c/u 6.500€ material + puesta a punto

Fabricación 4.000€ c/u GPS o cámara

Coste del guiado del rumbo + herramienta

59.651€ c/u 9.500€ + hta 29.800€ c/u 20.000€ material + puesta a punto

Fabricación 8.000€ c/u ¿?

Madurez del producto Sí No Sí Sí No


2.3.8. Conclusiones

Para obtener la elevada precisión necesaria en horticultura, los diseñadores de

sistemas de guiado preconizan una descomposición de esta función en dos

subsistemas:

Un sistema de guiado del rumbo de la máquina.

Un sistema de guiado de la herramienta enganchada en el tractor (o de la

cabina para el caso del Eole Tract).

El problema del sistema de posicionamiento de la máquina en el extremo de la

parcela, para evitar un desplazamiento escabroso, no ha sido aún resuelto en la

actualidad, sea cual sea la solución final elegida para el guiado del rumbo. Se debe

profundizar en ello y precisarlo, en tanto que solución técnica y en su modo

operatorio, habida cuenta de la dimensión de la máquina et de una cierta falta de

visibilidad (a nivel del eje de las ruedas). Sea cual sea la solución de guiado del

rumbo, es indispensable confirmar su validez con un procedimiento sencillo para

poner en práctica in situ.

Los sistemas de guiado mediante GPS o mediante cámara proporcionan una

información eléctrica para corregir el ángulo de las ruedas directrices en máquinas

relativamente cortas. Para adaptarlas al Eole Tract, en el que se ha previsto un

control de velocidad sobre las ruedas motrices, será necesario estudiar o realizar una

interfaz material y/o de software que convierta el ángulo en velocidad en función de

la indicación de rumbo.

Podría ser prudente prever una corrección angular de las ruedas directrices

incluso en modo explotación (es decir sobre el campo, ya que sobre la carretera el

giro angular de las ruedas estaría permitido), incluso si el guiado ha sido previsto

principalmente para la corrección de velocidad de las ruedas. En cualquier caso, no

se deberá anclar mecánicamente la dirección de las ruedas.

La precisión del sistema de guiado (rumbo y herramienta) dependerá en gran

medida de la calidad de la estabilización de las bandas de rodadura.


El estudio de viabilidad del proyecto y el estudio detallado de la motorización

deben realizarse en estrecha colaboración con el estudio del sistema de guiado (en

cuanto al modo de transmisión de la orden del sistema de guiado a la actuación sobre

las velocidades de los motores).

El coste de un equipamiento GPS utilizado únicamente para el guiado del Eole

Tract parece prohibitivo. Las máquinas agrícolas de nueva generación están todas

equipadas con un sistema GPS. Hay que considerar que este coste está repartido

sobre todas las otras funciones existentes para la explotación de una superficie

agrícola. Además, desde el punto de vista del marketing, parece menos vendible una

máquina agrícola nueva en el mercado que no vaya equipada con un GPS. Pero cabe

preguntarse si acaso la horticultura necesita la utilización de un sistema de guiado

por GPS.

Los costes generados por el sistema de guiado han de ser optimizados, en la

medida de lo posible. La solución de un sistema de guiado de rumbo mediante

brújula electrónica es prometedora en términos de coste. Su capacidad para pasar

sistemáticamente por el mismo eje de las bandas de rodamiento, teniendo en cuenta

además los problemas de peralte y balanceo, debe ser no obstante verificada in situ.

3

Descripción del modelo

desarrollado

3. Descripción del modelo desarrollado 66

3. Descripción del modelo desarrollado

3.1. Cálculo de la fuerza ejercida sobre las herramientas de trabajo ___________ 69

3.1.1. Perfil y textura del suelo _______________________________________ 69

3.1.2. Resistencia del terreno y sección de labor _________________________ 72

3.1.3. Fuerza y potencia necesarias para tirar del arado ____________________ 75

3.2. Potencia de la toma de fuerza _____________________________________ 80

3.3. Cálculo de la presión en el suelo __________________________________ 83

3.3.1. Cálculo de la superficie de contacto ____________________________ 83

3.4. Comparación de neumáticos ______________________________________ 84

3.4.1. Cálculos __________________________________________________ 88

3.4.2. Resultados ________________________________________________ 92

3.5. Dimensionamiento de la viga superior ______________________________ 99

3.5.1. Modelado de la estructura ____________________________________ 99

3.5.2. Hipótesis de cargas ________________________________________ 100

3.5.3. Simulación y cálculo de la resistencia __________________________ 102

3.5.4. Cálculo del efecto de vuelco _________________________________ 106

3.6. Dimensionamiento energético. Motores y grupo electrógeno ___________ 108

3.6.1. Dimensionamiento energético ________________________________ 109

3.6.2. Elección del grupo electrógeno _______________________________ 112

3.6.3. Elección de los motores _____________________________________ 114

3.7. Sistema de guiado _____________________________________________ 115

3.7.1. Brújula electrónica. Características ____________________________ 116

3.7.2. Principio de guiado ________________________________________ 118

3.7.3. Diseño de la maqueta ______________________________________ 121

3.7.4. Programa del autómata de control _____________________________ 125


3.7.5. Metodología de los ensayos _________________________________ 131

3.7.6. Conclusión y apertura ______________________________________ 134


En este capítulo se reflejan las diferentes etapas llevadas a cabo en la definición

de cada uno de los diferentes aspectos a considerar en el diseño del Eole Tract. Los

diferentes aspectos son:

Definición del sistema de desplazamiento

Dimensionado estructural de la viga superior

Dimensionado energético, elección de los motores y del grupo

electrógeno

Programación del autómata de control para el sistema de guiado

Se exponen las consideraciones de dimensionamiento estructural y energético

del tractor Eole Tract, partiendo de las exigencias del cliente que han de ser

satisfechas y considerando las restricciones en cuanto a normas de seguridad y

homologación de un vehículo que puede circular ocasionalmente por carretera

(desplazamiento entre parcelas de cultivo).

Para el cálculo de los diferentes aspectos de diseño es necesario realizar una

simulación de las condiciones de trabajo del Eole Tract, condiciones que recogen las

situaciones de trabajo agrícola sobre el suelo (operaciones de cultivo sobre el suelo,

potencia de la toma de fuerza), desplazamiento sobre el campo (capacidad portante

del tractor, desplazamiento posible o no en función de la presión ejercida en el suelo

por centímetro cuadrado), arranque del tractor (peso del mismo, par de transmisión a

las ruedas necesario en el arranque), y levantamiento del tractor para el giro de las

ruedas en el cambio al modo “carretera/cambio de franja” (fuerza de levantamiento

del tractor).

En paralelo a los cálculos de dimensionamiento, es necesario prestar atención al

desarrollo del sistema de guiado: para ensayar la brújula electrónica (solución

retenida en el capítulo 2, Descripción de las tecnologías) es necesaria la construcción

de una maqueta, la programación del autómata que efectuará las correcciones sobre

la trayectoria del tractor y la realización de una tabla de resultados que permita

determinar la validez o no de dicho sistema.


3.1. Cálculo de la fuerza ejercida sobre las herramientas de

trabajo

Para realizar el cálculo de las fuerzas a las que está sometido el tractor a la hora

de realizar las operaciones de tratamiento del terreno, se ha elegido simular la

operación de arado, ya que es la que se realiza a mayor profundidad y sin que el

suelo haya sido tratado previamente, por lo que los esfuerzos realizados tanto sobre

la herramienta de trabajo como sobre el resto del tractor serán los correspondientes al

caso más restrictivo.

A la hora de trabajar la tierra, es necesario conocer el tipo de terreno que va a ser

cultivado: su perfil y textura.

3.1.1. Perfil y textura del suelo

El perfil del suelo es el conjunto de las capas o estratos denominados horizontes

en que se divide la estructura vertical del suelo. En el caso de las tierras agrícolas que

van a ser estudiadas, el perfil del suelo útil abarca solamente hasta aquélla capa u

horizonte que ya no puede ser alcanzada por las raíces de las plantas. El perfil del

suelo que colonizará las raíces de las plantas, está compuesto por una serie de

elementos y partículas minerales de diferentes tamaños y propiedades.

La textura del suelo es la relación existente entre las partículas minerales que lo

componen y el tamaño de éstas. Depende, por tanto, de la proporción de sus

componentes inorgánicos: arena, limo y arcilla. La textura es fundamental en la

capacidad impermeabilizante y de retención del agua, así como del mayor o menor

rendimiento del sistema radicular de las plantas para asimilar los nutrientes de la

solución del suelo. La textura de los suelos puede ser modificada mediante adecuadas

labores agrícolas. Se distinguen en la textura del suelo cuatro categorías principales

de acuerdo con el tamaño de los granos minerales que contiene: arena gruesa, entre

0,2 y 2 mm; arena fina, entre 0,02 y 0,2 mm; limo, entre 0,002 y 0,02 mm.; y arcilla,

cuando los granos son inferiores a 0,002 mm.


Saber cómo es la textura del suelo es importante para el agricultor. De su

conocimiento en cuanto a componentes minerales y orgánicos, drenaje, aireación,

etc., dependerá el éxito en la producción de las cosechas. No se puede decir que

exista una textura de suelo ideal, pues cada especie puede requerir tipos de suelo muy

distintos; unas precisarán buenos drenajes, como los cereales; y otras no podrán

crecer sin suelos muy húmedos, como la caña de azúcar. Las condiciones adecuadas

para cada una pueden conseguirse mediante trabajos de acondicionamiento. Por

ejemplo, en un suelo excesivamente arcilloso las plantas tendrán más capacidad de

asimilación de los nutrientes, pero será sin embargo demasiado impermeable y

encharcará el agua o lo mantendrá demasiado húmedo; para determinadas plantas de

secano es un suelo inviable y sería necesario facilitar el drenaje añadiendo arena. En

el caso contrario, un suelo esencialmente de arena gruesa tendrá un mínimo grado de

retención del agua, y la asimilación de los nutrientes por las raíces de las plantas será

mínimo o nulo; en la práctica en un suelo estéril.

Existe una clasificación internacionalmente aceptada sobre las texturas más

características de los suelos, en base a la proporción de las partículas que contienen.

Se distinguen las siguientes:

Arenosa: es una textura arenosa cuando contiene menos del 15% de arcilla.

La característica principal de este tipo de textura es su gran porosidad, cuyo

efecto inmediato es la percolación, es decir, la filtración de las aguas de lluvia o

riego hasta la capa freática (capa impermeable en que el agua se acumula y no

profundiza más). Otra característica poco deseable es su poca fertilidad,

motivada porque la solución del suelo lleva consigo los nutrientes disueltos,

impidiendo que las raíces puedan asimilarlos. En los suelos de arena fina se dan

habitualmente los fenómenos de "costra" en la superficie. Estos suelos pueden

ser corregidos añadiendo arcilla y tierra de bosque hasta conseguir una

retención de agua adecuada al tipo de plantas que se deseen cultivar. Entre las

texturas arenosas se distinguen:

Arenosa gruesa: con un máximo del 15% de limo y arcilla, y más del 45% de

arena gruesa.


Arenosa fina: con menos del 15% de limo y arcilla, y máximo del 45% de

arena gruesa.

Franca: es una textura franca cuando contiene menos del 25% de arcilla. Se

trata de los suelos más adecuados en términos generales para la práctica de la

agricultura. De todas formas, la textura franca agrupa variadas composiciones

entre un extremo y otro de este tipo, según contenga más o menos arena, arcilla

o limo y, por tanto, puede ser más o menos adecuada dependiendo de la especie

vegetal de que se trate. En estos casos debe atenderse a las características del

tipo de especie que deseamos cultivar para conocer qué tipo de suelo franco es

el más adecuado. Entre las texturas francas se distinguen:

Franco-arenosa gruesa: con un máximo del 15% de arcilla, de 15 al 35%

entre limo y arcilla, y más del 45% de arena gruesa.

Franco-arenosa fina: con un máximo del 15% de arcilla, de 15 al 35% entre

limo y arcilla, y menos del 45% de arena gruesa.

Franca: con un máximo del 15% de arcilla, y más del 35% entre limo y arcilla

(la cantidad de limo no debe superar el 45% de la composición total).

Franco-limosa: con un máximo del 15% de arcilla, y más del 35% entre limo

y arcilla (la cantidad de limo debe ser superior al 45% de la composición

total).

Franco-arcillo-arenosa: con un 15% a 25% de arcilla, más del 55% de arena,

y menos del 25% de limo.

Franco-arcillosa: con un 20 a 45% de limo, y entre 15 y 25% de arcilla.

Franco-arcillo-limosa: con más del 45% de limo, y entre 15 y 25% de arcilla.

Arcillosa: es una textura arcillosa cuando el contenido en arcilla es superior al

25%. Las partículas de arcilla son visibles sólo al microscopio, y al mojarlas

forman una masa viscosa que puede moldearse. Se trata de los suelos menos

porosos, pues pueden contener gránulos de tamaño inferior incluso a los 0,002

mm. Esto significa una capacidad impermeable o de retención del agua muy

alta, provocando encharcamientos. Los suelos arcillosos son muy pesados, se

agrietan y compactan cuan se secan; en términos de aprovechamiento agrícola,


y salvo excepciones, forma suelos poco deseables que necesitan

acondicionamiento previo. Estos suelos se corrigen añadiendo arena y tierra

virgen de bosque; si la textura es demasiado arcillosa puede ser necesario en

ocasiones un sistema de drenaje suplementario. Entre las texturas arcillosas se

distinguen:

Arcillo-arenosa: con un 25 a 45% de arcilla, y más del 55% de arena.

Arcillosa ligera: con un 25 a 45% de arcilla, y menos del 55% de arena.

Arcillo-limosa: con un 25 a 45% de arcilla, y más del 45% de limo.

Arcillosa pesada: con más de un 45% de arcilla

3.1.2. Resistencia del terreno y sección de labor

El cálculo de la fuerza necesaria para tirar del arado depende fundamentalmente

de la resistencia específica del terreno y de la sección de la labor:

SF

La resistencia específica depende a su vez del tipo de suelo y también de la

velocidad de trabajo. Según ASAE1 los valores medios de la resistencia específica

para distintos suelos son:

Fig. 3. 1: Resistencia específica del terreno según “Las máquinas agrícolas”, J.Ortiz-Cañavate

1 ASAE: American Society of Agricultural Engineers


Para la velocidad de trabajo se ha tomado 100 m/h, dado que el cliente ha fijado

esa velocidad como la mínima de trabajo en determinadas operaciones. No obstante,

se comprobará la sensibilidad de la simulación con el cálculo a diferentes

velocidades para determinar si la velocidad de trabajo afecta en una medida grande o

pequeña al resultado de la fuerza (300, 500, 800, 1200, 1600, 2000, 3000 y 4000

m/h).

En un arado de vertedera (ver Fig. 3. 2) la sección de trabajo es igual a:

panS ,

donde n número de cuerpos del arado

a anchura de cada cuerpo

p profundidad de trabajo

Fig. 3. 2: Izquierda: partes de un arado de vertedera. Derecha: a) Elementos y características de trabajo del

cuerpo del arado de vertedera. b) Resultado final de la labor.

Se han realizado los cálculos con un arado de vertedera de 5 cuerpos2, con

anchura del cuerpo variable (cuanto mayor sea la anchura, mayor será la superficie a

labrar, ver Fig. 3. 3): se han simulado anchuras de cuerpo de arado de 32, 40 y 53

cm, valores extraídos del estudio ya mencionado realizado en los Países Bajos.

2 Se ha tomado un arado de 5 cuerpos para utilizar el mismo criterio que un estudio comparativo entre ocho modelos de arado de vertedera llevado a cabo en los Países Bajos en Febrero de 2010, sobre una parcela cuyo suelo tenía una composición de 35% de arcilla (se puede consultar el estudio completo en el anexo 6.8.).


Fig. 3. 3: Operación de arado (izda) y variación de la anchura de labor A mediante bastidor con sistema de

cuadrilátero articulado, que permite mantener el paralelismo entre los cuerpos del arado (dcha).

La profundidad de la labor es uno de los aspectos más controvertidos a la hora

de arar. La mayor parte de los usuarios en España la sitúan en los 30 cm, sin

embargo, esto no significa que sea la más idónea. Al trabajar a una profundidad

superior a la óptima no solamente aumenta el consumo de energía sino que se corre

el riesgo de generar terrones de gran tamaño que resultan difíciles de romper en las

labores de preparación del lecho de siembra.

Es éste un parámetro variable, ya que es diferente en función del cultivo a

implantar: un cultivo de tubérculos (remolacha) se considera arado profundo, y la

profundidad está entre los 35 y 40 cm; un cultivo de cereales es más superficial,

estando su profundidad entre los 25 y 30 cm. En el modelo de cálculo se ha

considerado un arado a 25 y 40 cm de profundidad: Se sabe que la profundidad de

arado en el tipo de cultivo al que se dirige el Eole Tract nunca será mayor de 25 cm,

aun así, se ha incluido la profundidad de 40 cm con vistas a una posible ampliación

de mercado.

Fig. 3. 4: Recapitulación de las diferentes superficies de arado contempladas en el estudio

Arado de vertedera n (numero de cuerpos del arado): 5

Superficie de arado (cm²) a (anchura de cada cuerpo) (cm)

p (profundidad de trabajo) (cm) 32 40 53

25 4000 5000 6625

40 6400 8000 10600

longitud de trabajo, n x a (cm) 160 200 265


3.1.3. Fuerza y potencia necesarias para tirar del arado

Con todos los valores anteriores, se ha procedido al cálculo de la fuerza

necesaria para tirar del arado a una velocidad de 100 m/h, como se recoge en la Tabla

3. 1.

El cálculo de la potencia de tracción vendrá dado en función de la velocidad de

avance y del número de cm2 arados por el útil:

)()( NFs

mvWPtraccion

Para obtener la potencia desarrollada por el motor, se multiplica por 2 la

potencia de tracción para tener en cuenta todas las pérdidas (fuerza de rodamiento,

transmisiones, patinaje de las ruedas, etc.)3:

traccionmotor PWP 2)(

A continuación se muestran los valores calculados en función de todos los

parámetros anteriormente citados de velocidad, tipo de suelo y profundidad y

anchura de arado:

3 Criterio adoptado después de consultar al profesor Régis Vézian, de la Escuela de Ingenieros Agrícolas de Purpan, Toulouse, Francia.


Tabla 3. 1: Fuerza necesaria para tirar de un arado de 5 cuerpos en función del tipo de suelo y de la superficie de arado

Tabla 3. 2: Potencia de tracción en W desarrollada por un arado de 5 cuerpos en función del tipo de suelo y de la superficie de arado

F (fuerza para tirar del arado), F = µ x S (N) Suelo

100 m/hSuperficie de arado (cm²) ancho‐prof. Arci l lo‐l imoso

Franco‐

arci l loso

Franco‐arci l lo‐

l imosoFranco

Limo‐

arenoso

Franco‐

arenosoArenoso

promedio

suelos

francos

4000 28.002 24.002 19.201 12.001 12.001 11.201 8.001 16.601

6400 44.803 38.403 30.722 19.201 19.202 17.921 12.801 26.562

5000 35.002 30.003 24.001 15.001 15.002 14.001 10.001 20.751

8000 56.004 48.004 38.402 24.002 24.003 22.401 16.001 33.202

6625 46.378 39.754 31.802 19.876 19.877 18.551 13.251 27.496

10600 74.205 63.606 50.883 31.802 31.803 29.681 21.201 43.993

Caso 1

P (potencia de traccion), P = F x Velocidad

(W)Suelo


Franco‐

arci l loso


l imosoFranco

Limo‐

arenoso

Franco‐

arenosoArenoso

promedio

suelos

francos

4000 778 667 533 333 333 311 222 461

6400 1.245 1.067 853 533 533 498 356 738

5000 972 833 667 417 417 389 278 576

8000 1.556 1.333 1.067 667 667 622 444 922

6625 1.288 1.104 883 552 552 515 368 764

10600 2.061 1.767 1.413 883 883 824 589 1.222

Caso 1


Tabla 3. 3: Potencia desarrollada por el motor tirando de un arado de 5 cuerpos en función del tipo de suelo y de la superficie de arado

Tabla 3. 4: Fuerza necesaria para tirar de un arado de 5 cuerpos en función del tipo de suelo y de la superficie de arado

P (potencia desarrollada por el motor), P = F x

Velocidad x 2 (W)Suelo


Franco‐

arci l loso


l imosoFranco

Limo‐

arenoso

Franco‐

arenosoArenoso

promedio

suelos

francos

4000 1.556 1.333 1.067 667 667 622 444 922

6400 2.489 2.134 1.707 1.067 1.067 996 711 1.476

5000 1.945 1.667 1.333 833 833 778 556 1.153

8000 3.111 2.667 2.133 1.333 1.333 1.245 889 1.845

6625 2.577 2.209 1.767 1.104 1.104 1.031 736 1.528

10600 4.123 3.534 2.827 1.767 1.767 1.649 1.178 2.444

Caso 1

F (fuerza para tirar del arado), F = µ x S (N) Suelo


Franco‐

arci l loso


l imosoFranco

Limo‐

arenoso

Franco‐

arenosoArenoso

promedio

suelos

francos

4000 28.018 24.019 19.209 12.007 12.012 11.205 8.005 16.610

6400 44.828 38.431 30.734 19.212 19.218 17.927 12.807 26.576

5000 35.022 30.024 24.011 15.009 15.014 14.006 10.006 20.762

8000 56.035 48.038 38.417 24.014 24.023 22.409 16.009 33.220

6625 46.404 39.782 31.814 19.887 19.894 18.558 13.258 27.510

10600 74.247 63.651 50.903 31.819 31.831 29.692 21.212 44.016

Caso 2


Tabla 3. 5: Potencia de tracción en W desarrollada por un arado de 5 cuerpos en función del tipo de suelo y de la superficie de arado

Tabla 3. 6: Potencia desarrollada por el motor tirando de un arado de 5 cuerpos en función del tipo de suelo y de la superficie de arado

P (potencia de traccion), P = F x Velocidad (W) Suelo


Franco‐

arci l loso


l imosoFranco

Limo‐

arenoso

Franco‐

arenosoArenoso

promedio

suelos

francos

4000 2.335 2.002 1.601 1.001 1.001 934 667 1.384

6400 3.736 3.203 2.561 1.601 1.602 1.494 1.067 2.215

5000 2.919 2.502 2.001 1.251 1.251 1.167 834 1.730

8000 4.670 4.003 3.201 2.001 2.002 1.867 1.334 2.768

6625 3.867 3.315 2.651 1.657 1.658 1.546 1.105 2.293

10600 6.187 5.304 4.242 2.652 2.653 2.474 1.768 3.668

Caso 2

P (potencia desarrollada por el motor), P = F x

Velocidad x 2 (W)Suelo

300 m/h Superficie de arado (cm²) ancho‐prof. Arci l lo‐l imosoFranco‐

arci l loso


l imosoFranco

Limo‐

arenoso

Franco‐

arenosoArenoso

promedio

suelos

4000 4.670 4.003 3.201 2.001 2.002 1.867 1.334 2.768

6400 7.471 6.405 5.122 3.202 3.203 2.988 2.135 4.429

5000 5.837 5.004 4.002 2.502 2.502 2.334 1.668 3.460

8000 9.339 8.006 6.403 4.002 4.004 3.735 2.668 5.537

6625 7.734 6.630 5.302 3.314 3.316 3.093 2.210 4.585

10600 12.374 10.608 8.484 5.303 5.305 4.949 3.535 7.336

Caso 2


A continuación se recogen los valores más significativos de fuerza y potencia

desarrollada por el motor en un caso concreto.

Tabla 3. 7: Fuerza necesaria para tirar de un arado a distintas velocidades de avance, en un suelo franco-

arcillo-limoso con un arado de 5 cuerpos de 32 cm de ancho y 25 cm de profundidad

Tabla 3. 8: Potencia desarrollada por el motor tirando de un arado a distintas velocidades de avance, en un suelo

franco-arcillo-limoso con un arado de 5 cuerpos de 32 cm de ancho y 25 cm de profundidad

De la Tabla 3. 7 se concluye en este apartado que el dimensionamiento

estructural de la viga superior se hará teniendo en cuenta que a causa del terreno el

arado tiene que vencer una fuerza de 2 toneladas (2.000 kgf) en sentido horizontal.

Sin embargo, cuando se realizan operaciones de desherbado del terreno, en los

que se emplea una herramienta diferente al arado (ver Fig. 3. 5) y la profundidad de

la labor es menor, la herramienta de trabajo tiene que vencer una fuerza de 1 tonelada

Profundidad de arado a 25 cm en suelo franco‐arcillo‐limoso

Anchura de trabajo de 160 cm (32 x 5 cuerpos)

F (fuerza para tirar del

arado), F = µ x S

(N) (kgf)

100 19.201 1.920

300 19.209 1.921

500 19.224 1.922

800 19.261 1.926

1200 19.338 1.934

1600 19.446 1.945

2000 19.584 1.958

3000 20.064 2.006

4000 20.736 2.074

Velocidad (m/h)

Profundidad de arado a 25 cm en suelo franco‐arcillo‐limoso

Anchura de trabajo de 160 cm (32 x 5 cuerpos)

Potencia desarrollada por el

motor, P = F x V x 2 (kW)

100 1,07

300 3,2

500 5,34

800 8,56

1200 12,89

1600 17,29

2000 21,76

3000 33,44

4000 46,08

Velocidad (m/h)


(1.000 kgf) delante y otra detrás (suponiendo que se utilizan dos herramientas como

la mencionada), como se puede ver en la Tabla 3. 9.

Fig. 3. 5: Aperos de labranza superficial

Tabla 3. 9: Fuerza para tirar de un apero de labranza superficial

3.2. Potencia de la toma de fuerza

La toma de fuerza es un eje en rotación que transmite energía para el

accionamiento de las máquinas acopladas al tractor, situado normalmente en la parte

posterior del mismo. Además de este eje constituyen los componentes necesarios

para dicho accionamiento, un árbol de transmisión articulado mediante juntas cardan

para permitir el cambio de dirección y, un eje telescópico, denominado eje cardánico.

Según el modo de recibir el movimiento, existen diferentes tipos de toma de

fuerza:

Arado de vertedera n (numero de cuerpos del arado): 5

Superficie de arado (cm²) a (anchura de cada cuerpo) (cm)

p (profundidad de trabajo) (cm) 32 40 53

15 2400 3000 3975

F (fuerza para tirar

del arado), F = µ x S

(N)

Suelo

100 m/h

Superficie de arado

(cm²) ancho‐prof.Arci l lo‐l imoso

Franco‐

arci l loso


l imosoFranco

Limo‐

arenoso

Franco‐

arenosoArenoso

promedio

suelos

francos

2400 16.801 14.401 11.521 7.200 7.201 6.720 4.800 9.961

3000 21.001 18.002 14.401 9.001 9.001 8.400 6.000 12.451

3975 27.827 23.852 19.081 11.926 11.926 11.131 7.951 16.497

Caso 1


Toma de fuerza del cambio de velocidades: procede del eje intermediario de

la caja de cambios y por tanto, se desconecta cuando se pisa el pedal de

embrague.

Toma de fuerza del motor o independiente: recibe movimiento directamente

del motor a través de un embrague propio, mediante un embrague independiente

o “doble”. En este caso el tractor puede detenerse y volver a avanzar sin que la

toma de fuerza se detenga y, por tanto, la máquina que esté accionando.

Toma de fuerza sincronizada acoplada al eje secundario: utilizada para el

accionamiento de los ejes motores de los remolques de ruedas accionadas. Así la

velocidad del tractor y remolque accionado es la misma con independencia de la

marcha seleccionada.

Fig. 3. 6: Toma de fuerza de un tractor (dcha) y protección de la misma (izda)

En los aperos accionados por la toma de fuerza del tractor, puede producirse

contacto con los elementos móviles de la transmisión de potencia o con los

elementos de trabajo. Los ejes nervados y las juntas cardan pueden enganchar la ropa

y atraer a la persona contra el eje que gira a gran velocidad, ocasionándole graves

heridas e incluso la muerte. Este atrapamiento puede producirse, siempre que la toma

de fuerza esté accionada:

Al subir o bajar del tractor por la parte posterior del mismo.

Al pasar de un lado a otro por encima de los elementos de la toma de fuerza.

En las labores de mantenimiento de la toma de fuerza o próximo a ella.


Cualquier otra operación que se realice próxima a la toma de fuerza.

En la Fig. 3. 7 se muestra la protección de la toma de fuerza que debe llevar un

tractor obligatoriamente. Es necesario atenerse estrictamente a estas especificaciones

y a cuantas normas y recomendaciones sean dictadas por los organismos competentes

y los propios fabricantes, como se ha visto en el capítulo 1, epígrafe Seguridad y

homologación.

Fig. 3. 7: Protección del eje cardánico y de las tomas de fuerza: 1) protección de la tdf del tractor, 2)

protección tubular del eje cardánico, 3) protección de la tdf de la máquina

La velocidad de rotación de la toma de fuerza depende del régimen de giro del

motor, en función de la necesaria para que la máquina pueda realizar la tarea

requerida, de forma que a mayor velocidad del motor tiene a su salida mayor

velocidad la toma de fuerza y, viceversa. En un principio la velocidad estaba

normalizada solamente a 540 rpm. Con la aparición de los tractores de gran potencia,

se aumentó la velocidad normalizada a 1000 rpm4.

En el dimensionamiento de la toma de fuerza del Eole Tract se ha tomado el

valor de 540 rpm. El par a transmitir se ha fijado en 200 Nm, también tomando como

referencia otros valores de tractores existentes en el mercado.

Por tanto, la potencia de la toma de fuerza será de

kWrpmNmparP 31,11540200 .

4 Ficha divulgativa, “Toma de fuerza en el tractor agrícola”, 2008, Consejería de Empleo y Formación, Instituto de Seguridad y Salud Laboral, Región de Murcia.


3.3. Cálculo de la presión en el suelo

En vista de lo explicado en el capítulo anterior, en el apartado dedicado al

sistema de desplazamiento, se puede concluir que la presión en el suelo es un

parámetro fundamental a la hora de diseñar un tractor, que sirve para determinar la

capacidad portante de la máquina. En efecto, para que el tractor avance por el suelo

(bandas de tierra estabilizada en nuestro caso) es necesario respetar un determinado

valor de presión en el suelo, expresado en g/cm2.

El límite máximo de presión para evitar los procesos de compactación está, de

acuerdo a la bibliografía consultada, alrededor de 105 kPa (1.055g/cm2)5.

Para calcular la presión del tractor sobre el suelo, se calculará primeramente la

superficie de contacto del neumático sobre una superficie rígida y sobre una

superficie blanda (como es el caso del suelo recién labrado), para dividir acto

seguido el peso del tractor entre dicha superficie.

3.3.1. Cálculo de la superficie de contacto

Para determinar la superficie de contacto de los neumáticos con el terreno de un

vehículo se ha empleado la fórmula propuesta por Inns y Kilgour (1978), que estima

que el área de contacto de un neumático sobre una superficie se asemeja a un

rectángulo y puede calcularse como sigue:

LbA

donde A área de contacto

b cbb 85.0

L longitud de contacto de la rueda

bc ancho medio del neumático cuando está montado en la llanta e

inflado a la presión correcta

5 “Clasificación de vehículos en función del grado de compactación ejercida sobre suelo agrícola”, Instituto de Ingeniería rural, INTA (Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria), Centro de Investigaciones de Agropecuarias, Castelar, Buenos Aires.


La longitud de contacto de la rueda, L, se calcula de forma diferente en función

de si ésta apoya sobre una superficie rígida o sobre un suelo suelto o recién labrado.

En el primer caso se calcula como:

cdL 31,0

donde dc diámetro total del neumático.

Cuando la rueda apoya sobre un suelo suelto o recién labrado, las superficies de

contacto también se considera rectangular de igual anchura, b, pero la longitud L se

calcula según la expresión:

)(2 c

dL

donde δ deflexión del neumático h 2,0

h toro del neumático bh 85,0

Con el resultado del área de contacto entre la rueda y el suelo, la presión se

calcula de manera inmediata dividiendo el peso total del tractor entre la superficie de

contacto A.

Dado que el grupo electrógeno se encuentra situado en un costado de la máquina

(ver epígrafe 3.6.2), el peso no se distribuye uniformemente sobre las cuatro ruedas

del tractor, es por ello que para los valores de presión admisible sobre el suelo hay

que considerar el caso más restrictivo, es decir, el costado que soporta el grupo

electrógeno.

3.4. Comparación de neumáticos

La designación de un neumático sigue la nomenclatura siguiente: 600/70R30 TL

159D, donde

600 corresponde a la anchura nominal del neumático en mm

70 es la relación entre la altura y la anchura del neumático

R designa un neumático radial

30 corresponde al diámetro de la llanta en pulgadas

TL es una designación del fabricante (TL: Tubeless)


159D indica la carga máxima que puede soportar el neumático a una

velocidad determinada

Fig. 3. 8: Designación de un neumático

Fig. 3. 9: Dimensiones de un neumático proporcionadas por el fabricante, sobre el neumático y sobre la

llanta

Esta última mención es muy importante, ya que indica que el neumático ha sido

concebido para una utilización determinada con ciertos límites en relación a la

presión, la carga y la velocidad. En efecto, la presión de un neumático debe estar

regulada en función de la carga y la velocidad: para una velocidad dada, a medida

que se aumenta la carga es necesario aumentar la presión, del mismo modo que para

una carga determinada, un aumento en la velocidad conlleva un aumento en la

presión. Dicho de otro modo, ya sea en el campo o en la carretera, un neumático

deberá estar más inflado para soportar 4 toneladas que 3 toneladas, y con 4 toneladas

se necesita más presión de inflado para circular a 25km/h que a 5 km/h. En resumen,


cuantos más esfuerzos tenga que transmitir el neumático, mayor debe ser la presión

de inflado, e inversamente, se puede disminuir la presión si los esfuerzos a transmitir

son menores.

Los neumáticos están diseñados para aceptar una cierta gama de presiones en

función de la velocidad y la carga (Fig. 3. 10). Sin embargo, para preservar el suelo,

la presión debe ser lo más baja posible (0.8 a 1 bar para el trabajo del terreno y 2

bares para desplazamientos por carretera). Son necesarios pues neumáticos que sean

capaces de soportar las cargas a las que están sometidos a presiones moderadas. Para

adaptar la presión óptima sin dañar el neumático, se recomienda referirse a las hojas

de ajuste suministradas por el fabricante, después de haber pesado los materiales.

Fig. 3. 10: Datos técnicos de presión y carga soportable suministrados por un fabricante de neumáticos en

función de la velocidad del tractor y de si las ruedas están acopladas (dual) o no (single).

Los neumáticos comparados son los siguientes:


Tabla 3. 10: Modelos de neumáticos comparados en el estudio

El primer neumático ha sido incluido en el estudio porque en un principio fue la

elección retenida por el cliente, por consiguiente se ha incluido para compararlo con

otros neumáticos de baja presión y con los respectivos valores de presión en el suelo.

La columna izquierda explica las comparaciones que se han llevado a cabo. Se

han comparado los neumáticos:

3 con respecto a 2: indagación sobre la influencia de aumentar el ancho del

neumático entre modelos de la misma marca y gama.

4 con respecto a 2: ídem, pero pasando al mayor ancho de la gama.

5 con respecto a 3: neumáticos del mismo ancho nominal pero de diferentes

modelos dentro de la misma marca.

6 con respecto a 2: diferencia entre dos neumáticos semejantes de marcas

diferentes.

7 con respecto a 6: neumáticos de la misma marca pero de diferente modelo.

En la Tabla 3. 11 se presentan las características suministradas por cada

fabricante en lo concerniente a dimensiones del neumático y carga admisible según

diferentes presiones de inflado6. Las casillas en verde indican que se trata de un dato

de entrada para el cálculo, y las casillas amarillas, un dato de salida sobre el que se

han hecho observaciones para la elección de uno u otro modelo de rueda.

6 Las fichas técnicas completas de cada neumático pueden consultarse en el anexo 6.9.

Neumáticos comparados

2‐3

2‐4

3‐5

2‐6

2‐6 /6‐7

6. goodyear optitrac DT818 600/65R34 151A8 (baja presión)

7. goodyear optitrac DT824 620/75R26 166A8 (baja presión)

1. BKT AGRIMAX RC 270/95R38 150A2

2. michelin axiobib IF600/70R30 159D TL (baja presión)

3. michelin axiobib IF620/75 R30 164D TL (baja presión)

4. michelin axiobib IF710/70 R42 179D TL (baja presión)

5. michelin omnibib 620/70 R42 160D TL


3.4.1. Cálculos

Para realizar el cálculo del par de arranque, es necesario aplicar el equilibrio de

fuerzas en cada rueda.

Los puntos de aplicación de las reacciones que provoca el suelo sobre la rueda se

determinan tras un estudio de los fenómenos que intervienen en la tracción y

adherencia de un neumático sobre el suelo. Los principales mecanismos físicos por

los que un neumático proporciona su capacidad de adherencia con el suelo son dos:

adhesión e histéresis. Ambos son descritos a continuación para el caso de una pieza

cualquiera de caucho apoyada sobre una superficie rugosa.

Por adhesión se denomina al fenómeno por el que los átomos de dos cuerpos en

contacto, sean rígidos o no, desarrollan una pequeña fuerza electromagnética de

atracción mutua. La resistencia a la ruptura de estas fuerzas provoca la aparición de

otras paralelas a la superficie de contacto, que se opondrán a cualquier movimiento

relativo entre los dos cuerpos.

Fig. 3. 11: Esquema del mecanismo de adhesión de una pieza de caucho apoyada sobre una superficie

rugosa

El segundo mecanismo por el que el neumático desarrolla su adherencia y que

diferencia al caucho de otros muchos materiales es la histéresis. El fenómeno de

histéresis está presente en el caucho por su comportamiento visco-elástico. El

deslizamiento de una pieza de este material sobre una irregularidad en la superficie

de contacto provoca una deformación. Cuando esta irregularidad se ha superado, el

caucho tiende a recuperar su forma original y su contacto con la superficie pero,

debido a la histéresis, no de manera inmediata.


Fig. 3. 12: Esquema del mecanismo de histéresis

Este desfase entre causa (presión o tensión aplicada) y efecto (deformación) hace

que el neumático apoyado sobre una superficie rugosa como es el asfalto «abrace»

las irregularidades de manera asimétrica, más por delante de esa rugosidad que por

detrás, en el sentido de la marcha. Esto genera una distribución de presiones

orientada en sentido contrario al deslizamiento, lo que contribuye a la fuerza de

fricción total. A este fenómeno se debe que un neumático “blando” tenga mejor

agarre que uno “duro”, y que la mayor tracción se obtenga cuando la rueda está

sufriendo un cierto deslizamiento.

El área de la superficie de contacto entre un neumático y el suelo queda definida

en gran medida por la presión de inflado y el peso que recae sobre él, y no es por lo

tanto responsable de la mayor adherencia que un neumático ancho puede

proporcionar. Sin embargo, cuanto mayor es la anchura de un neumático más ancha y

corta es la huella. Como se verá al describir la resistencia a la rodadura, esto reduce

la magnitud de la deformación que sufre el neumático en su contacto con el asfalto,

lo que redunda en una distribución de presiones más homogénea y por tanto más

propicia para desarrollar una mayor adherencia.

Esta menor deformación permite además el empleo de compuestos más blandos

en neumáticos anchos. El grado de histéresis aceptable está limitado en última

instancia por la generación de calor asociada a la deformación cíclica del caucho, que

puede degradar las prestaciones del neumático y en última instancia destruirlo. La

disminución en la generación de calor debida a las menores deformaciones que sufre

un neumático ancho permite el empleo de compuestos más blandos, que

proporcionen una mayor adherencia.

Una consecuencia negativa de la histéresis de un neumático es la resistencia a la

rodadura. Al girar, sucesivas secciones del neumático son deformadas al entrar en


contacto con el suelo pero no recuperan de forma inmediata su forma original, a

consecuencia de la visco-elasticidad del caucho. Este retardo provoca que buena

parte de la energía empleada en su deformación no sea recuperada al volver a su

forma original. Esto se traduce en una distribución de presiones desigual en la huella,

más intensas en su parte delantera.

Esta distribución de presiones puede ser resumida en una única fuerza resultante,

que a efectos de análisis dinámico cause el mismo efecto sobre la rueda. Dicha fuerza

tendrá una dirección vertical, y su punto de aplicación estará ligeramente desplazado

por delante del eje vertical del neumático (ver Fig. 3. 13).

Fig. 3. 13: Esquema de la distribución de presiones sobre el neumático en contacto con el suelo

Como toda fuerza cuya dirección de aplicación no pase por el centro de rotación

de un objeto, imprimirá al mismo un momento angular o par. En el caso del

neumático, este par se opondrá a su rodadura, y deberá ser vencido por la energía

proveniente del motor, incrementando por tanto el consumo de combustible y

reduciendo la velocidad máxima.

La resistencia a la rodadura crece con la velocidad, pero de manera reducida

siempre que no se sobrepase aquélla para la que el neumático ha sido diseñado. En

tales circunstancias se puede cuantificar entre el 1 por ciento y 1,5 por ciento del

peso que recae sobre ella. La resistencia a la rodadura de un neumático no es

propiamente una fricción. Una fuerza de fricción tiene dirección paralela a la

superficie de contacto entre dos objetos; en el caso que nos ocupa, paralela al suelo.

Por el contrario, la distribución de fuerzas responsable de la resistencia a la rodadura

tiene una dirección normal al asfalto.


La distribución de fuerzas y momentos sobre cada rueda seguirá por tanto el

esquema siguiente:

Fig. 3. 14: Fuerzas y reacciones presentes en una rueda del tractor en movimiento

Las ecuaciones de equilibrio quedan como sigue:

4

:F

RF xx

4

:P

RF yy

rFP

CrRRCM xyz 44:

donde F fuerza de los útiles de labranza

P peso del tractor (estructura, ruedas, motores, etc)

El cálculo de se obtiene gracias a la dimensión L de contacto del neumático

sobre el suelo ( = L/4), calculado para conocer la presión en el suelo (apartado

3.3.1), y a lo explicado anteriormente sobre el fenómeno de histéresis de un

neumático: se asemeja la zona de presión delantera a una única fuerza resultante

aplicada en el punto medio de dicha zona.

Para tener una idea del par de arranque necesario, se ha considerado que debe

vencer la resistencia a la rodadura que ofrece el neumático, es decir, el neumático se

moverá cuando


3.4.2. Resultados

En las tablas reflejadas a continuación (Tabla 3. 12, Tabla 3. 13, Tabla 3. 14,

Tabla 3. 15) se muestran los resultados de presión en el suelo obtenidos en función

de los neumáticos comparados, así como los valores de potencia y par de arranque

necesarios para desplazar el Eole Tract utilizando cada uno de los diferentes

neumáticos.


Tabla 3. 11: Dimensiones de los diferentes neumáticos comparados

Dimensiones (mm, kg) Caso 1

BKT AGRIMAX

RC 270/95R38

150A2

Caso 2

michelin axiobib

IF600/70R30 159D

TL

Caso 3

michelin axiobib

IF620/75 R42 164D

TL

Caso 4

michelin axiobib

IF710/70 R42 179D

TL

Peso de la rueda 194 214 343

B Diametro neumático D 1450 1585 1670 2062

Ancho neumático S 270 600 659 742

R' Radio neumático en carga R' 695 728 919* Carga (kg)** ‐ Presion inflado (bar) 2800 0,8 3150 0,8 4250 0,8

3225 1 3575 1 4850 1150A2 3350 4375 1,6 5000 1,6 6700 1,6

Vitesse (km/h) 10 40 40 65

150A2 3350 159D 4375 1,6 164D 5000 1,6 179D 7750 2,4

10 65 65 65

* Cuanto mayor es la carga o la velocidad, mayor debe ser la presión de hinchado

** Carga por neumático

Dimensiones (mm, kg) Caso 5michelin omnibib

620/70 R42 160D TLCaso 6

goodyear optitrac

DT818 600/65R34

151A8

Caso 7

goodyear optitrac

DT824 620/75R26

166A8

Peso de la rueda 231

B Diametro neumático D 976,5 1953 822,5 1645 797,5 1595

Ancho neumático S 639 617 615

R' Radio neumático en carga R' 863 737 698* Carga (kg)** ‐ Presion inflado (bar) 3115 0,8 3315 0,8 3540 0,8

3570 1 3645 1 3890 14930 1,6 4645 1,6 4945 1,6

Vitesse (km/h) 40 10 10

160D 4500 1,6 151A8/B 3450 1,6 166A8/B 5300 3,2

65 50 50

* Cuanto mayor es la carga o la velocidad, mayor debe ser la presión de hinchado

** Carga por neumático


Tabla 3. 12: Superficie de contacto y presión sobre el suelo de los modelos Michelin Axiobib

Superficie de contacto rueda/suelo, A = b x L mm²

michelin axiobib

IF600/70R30 159D

TL

michelin axiobib

IF620/75 R30 164D

TL

michelin axiobib

IF710/70 R42 179D

TL

A1 Rueda sobre superficie rígida A 240.707 277.796 390.229

b = 0,87 x bc b 522 573 646

ancho medio del neumático cuando está montado en la llanta e

inflado a la presión correctabc 600 659 742

L = 0,31 x dc L 461 485 605

diametro total del neumatico dc 1.488 1.563 1.950

A2 Rueda sobre suelo suelto o recien labrado A 367.817 433.371 580.201

L = 2 x raiz[δ(dc‐δ)] L 705 756 899

δ = deflexion del neumatico = 0,2 x h δ 89 97 110

h = toro del neumatico = 0,85 x b h 444 487 549

Presion sobre el suelo, P = peso tractor/(Ax4) (g/cm²) ( 1 kg/mm² = 105 g/cm²) (g/cm²)

Poids machine (kg) 10.000

A1 A1, superficie rígida 1.038,61 899,94 640,65

A2 A2, suelo suelto o recien labrado 679,69 576,87 430,89

Presion sobre el costado del grupo electrógeno (g/cm2)

Peso de ese lado 7300

A1 A1, superficie rígida 1.516,36 1.313,92 935,35



Tabla 3. 13: Superficie de contacto y presión sobre el suelo de los modelos Michelin Omnibib y Goodyear Optitrac

Superficie de contacto rueda/suelo, A = b x L mm² mm²michelin omnibib

620/70 R42 160D TLmm²

goodyear optitrac

DT818 600/65R34

151A8

mm²

goodyear optitrac

DT824 620/75R26

166A8

A1 Rueda sobre superficie rígida A 317.016 259.508 248.052

b = 0,87 x bc b 556 537 535

ancho medio del neumático cuando está montado en la llanta e

inflado a la presión correctabc 639 617 615

L = 0,31 x dc L 570 483 464

diametro total del neumatico dc 1.840 1.560 1.496

A2 Rueda sobre suelo suelto o recien labrado A 451.525 392.971 382.484

L = 2 x raiz[δ(dc‐δ)] L 812 732 715

δ = deflexion del neumatico = 0,2 x h δ 95 91 91

h = toro del neumatico = 0,85 x b h 473 456 455

Presion sobre el suelo, P = peso tractor/(Ax4) (g/cm²) ( 1 kg/mm² = 105 g/cm²)

Poids machine (kg) 10.000

A1 A1, superficie rígida 788,60 963,36 1.007,85


Presion sobre el costado del grupo electrógeno (g/cm2)

Peso de ese lado 7300

A1 A1, superficie rígida 1.151,36 1.406,51 1.471,47



Tabla 3. 14: Par de arranque necesario para las diferentes ruedas y potencia consumida (1)

Par de arrastre sobre carretera y campo2. (michelin axiobib

IF600/70R30 159D

TL)

3. (michelin axiobib

IF620/75 R42 164D

TL)

4. (michelin axiobib

IF710/70 R42 179D

TL)

A1 caso 1: carretera, velocidad (km/h) 7 7 7

par de arrastre (Nm) 6.917 7.268 9.068

masa de la estructura (kg) 10.000 10.000 10.000

λ semi longitud de contacto de la rueda, L/2 (m) 0,23 0,24 0,30

D diametro rueda (m) 1,59 1,67 2,06

F fuerza de las herramientas(N) 0,00 0,00 0,00

s (par de arranque) 1,20 1,20 1,20

velocidad de rotacion (rpm) 23,43 22,24 18,01

potencia (W) 16.970 16.924 17.101

A2 caso 2: campo, velocidad (km/h) 5 3 0,5 5 3 0,5 5 3 0,5

couple d'entrainement (Nm) 15.985 15.985 15.985 17.065 17.065 17.065 20.500 20.500 20.500

masa estructura + herramientas (kg) 12.000 12.000 12.000 12.000 12.000 12.000 12.000 12.000 12.000

λ semi longitud de contacto de la rueda, L/2 (m) 0,35 0,35 0,35 0,38 0,38 0,38 0,45 0,45 0,45

D diametro rueda (m) 1,59 1,59 1,59 1,67 1,67 1,67 2,06 2,06 2,06

F fuerza de las herramientas(N) 20.000 20.000 20.000 20.000 20.000 20.000 20.000 20.000 20.000

s (par de arranque) 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1

velocidad de rotacion (rpm) 16,74 10,04 1,67 15,88 9,53 1,59 12,86 7,72 1,29

potencia (W) 28.014 16.808 2.801 28.384 17.030 2.838 27.616 16.570 2.761

potencia (cv) 38,1 22,8 3,8 38,6 23,1 3,9 37,5 22,5 3,8

OBSERVACIONES 1. BKT AGRIMAX RC 272. (michelin axiobib IF600/70R30 159D TL) 3. (michelin axiobib IF620/75 R42 164D TL) 4. (michelin axiobib IF710/70 R42 179D TL)

15% menos de presion sobre el suelo en campo 37% menos de presion sobre el suelo en campo

6% más de par de arrastre necesario en campo 22% más de par de arrastre necesario en campo

1% más de potencia necesaria en campo 1% menos de potencia necesaria en campo

comparado con el Caso2, rueda de 600 de ancho, misma

gama, necesidad de mayor par y menor potencia sobre

el campo:

neumático estrecho,

insuficiente para la

presión sobre el

suelo y el peso del

tractor

neumático que supone un buen compromiso entre

los valores de presión sobre el suelo y potencia

requerida

comparado con el Caso2, rueda de 600 de ancho, misma

gama, necesidad de mayor par y potencia sobre el

campo:


Tabla 3. 15: Par de arranque necesario para las diferentes ruedas y potencia consumida (2)

Par de arrastre sobre carretera y campo

5. (michelin

omnibib 620/70 R42

160D TL)

6. (goodyear

optitrac DT818

600/65R34 151A8)

7. (goodyear

optitrac DT824

620/75R26 166A8)

A1 caso 1: carretera, velocidad (km/h) 7 7 7

par de arrastre (Nm) 8.554 7.252 6.954

masa de la estructura (kg) 10.000 10.000 10.000

λ semi longitud de contacto de la rueda, L/2 (m) 0,29 0,24 0,23

D diametro rueda (m) 1,95 1,65 1,60

F fuerza de las herramientas(N) 0,00 0,00 0,00

s (par de arranque) 1,20 1,20 1,20

velocidad de rotacion (rpm) 19,01 22,58 23,28

potencia (W) 17.032 17.143 16.955

A2 caso 2: campo, velocidad (km/h) 5 3 0,5 5 3 0,5 5 3 0,5

couple d'entrainement (Nm) 18.772 18.772 18.772 16.603 16.603 16.603 16.181 16.181 16.181

masa estructura + herramientas (kg) 12.000 12.000 12.000 12.000 12.000 12.000 12.000 12.000 12.000

λ semi longitud de contacto de la rueda, L/2 (m) 0,41 0,41 0,41 0,37 0,37 0,37 0,36 0,36 0,36

D diametro rueda (m) 1,95 1,95 1,95 1,65 1,65 1,65 1,60 1,60 1,60

F fuerza de las herramientas(N) 20.000 20.000 20.000 20.000 20.000 20.000 20.000 20.000 20.000

s (par de arranque) 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1

velocidad de rotacion (rpm) 13,58 8,15 1,36 16,13 9,68 1,61 16,63 9,98 1,66

potencia (W) 26.699 16.019 2.669 28.036 16.821 2.803 28.180 16.908 2.818

potencia (cv) 36,3 21,8 3,6 38,1 22,9 3,8 38,3 23,0 3,8

OBSERVACIONES 5. (michelin omnibib 620/70 R42 160D TL) 6. (goodyear optitrac DT818 600/65R34 151A8) 7. (goodyear optitrac DT824 620/75R26 166A8)

4% menos de presion sobre el suelo en campo 6% menos de presion sobre el suelo en campo 4% menos de presion sobre el suelo en campo

10% más de par de arrastre necesario en campo 4% más de par de arrastre necesario en campo 1% más de par de arrastre necesario en campo

6% menos de potencia necesaria en campo 0,08% más de potencia necesaria en campo 1% más de potencia necesaria en campo

3% más de presion sobre el suelo en campo

3% menos de par de arrastre necesario en campo

1% más de potencia necesaria en campo

comparado con el Caso3,rueda de 620 de ancho,

distinto modelo, necesidad de mayor par y menor

potencia sobre el campo:

comparado con el Caso2, rueda de 600 de ancho,

distinta marca, necesidad de mayor par y potencia

sobre el campo:

comparado con Caso2, rueda de 600 de ancho, distinta

marca, necesidad de mayor par y potencia sobre el

campo:

comparado con Caso6, rueda de 600 de ancho, distinto

modelo, necesidad de menor par y mas potencia sobre

el campo:


Como se ve en las tablas anteriores, es evidente que los neumáticos BKT

Agrimax son demasiado estrechos para los valores de presión sobre el suelo que se

persiguen, ya que unos neumáticos el doble de anchos transmiten unos valores de

presión sobre el suelo en el límite de lo que se considera necesario para evitar la

compactación en el suelo.

Neumáticos comparados

Presión sobre suelo rígido

Presión sobre suelo

suelto o recién

trabajado

Presión sobre suelo suelto lado

grupo electrógeno

Par de arrastre

en campo a 5 km/h

Potencia requerida

en campo a 5 km/h

(g/cm²) (g/cm²) (g/cm²) (Nm) (W)

1. BKT AGRIMAX RC 270/95R38 150A2

‐ ‐ ‐ ‐ ‐

2. Michelin axiobib IF600/70R30 159D TL (baja presión)

1.038,61 679,69 992,34 15.985 28.014

3. Michelin axiobib IF620/75 R30 164D TL (baja presión)

899,94 576,87 842,24 17.065 28.384

4. Michelin axiobib IF710/70 R42 179D TL (baja presión)

640,65 430,89 629,09 20.500 27.616

5. Michelin omnibib 620/70 R42 160D TL

788,60 553,68 808,37 18.772 26.699

6. Goodyear optitrac DT818 600/65R34 151A8 (baja presión)

963,36 636,18 928,82 16.603 28.036

7. Goodyear optitrac DT824 620/75R26 166A8 (baja presión)

1.007,85 653,62 954,29 16.181 28.180

Tabla 3. 16: Resumen comparativo de los diferentes casos contemplados

En la Tabla 3. 16 se recogen las diferentes presiones en el suelo de los

neumáticos y los valores de par de arrastre y potencia requeridos. Todos los

neumáticos presentan un valor menor de presión sobre el suelo que el modelo nº2,

pero en revancha necesitan mayor par de arrastre.

La solución escogida es el modelo nº3, de la gama Axiobib, que presenta un

buen equilibrio entre presión en el suelo y consumo de par y de potencia.


3.5. Dimensionamiento de la viga superior

Se parte de una concepción triangular de la viga superior, siguiendo la exigencia

del cliente de que sea semejante a la existente sobre el prototipo.

Fig. 3. 15: Vista de la viga de sección triangular del prototipo

Las dimensiones de base son:

Largo: 10m. Se ha determinado esta medida ya que el largo total del tractor

no debe superar los 12 metros, lo que deja un metro a cada lado de la viga

para cada flanco (se recuerda que el grupo electrógeno irá alojado en uno de

los flancos).

Altura de la sección: 1,5 m.

3.5.1. Modelado de la estructura

Los cálculos se realizarán para diferentes estructuras triangulares y diferentes

perfiles gracias al programa de elementos finitos PATRAN/NASTRAN. Se realizan

los cálculos para viga de 10 metros de largo, longitud necesaria para respetar los 12

metros de largo máximos que impone la legislación de circulación en carretera

(como se vio en el capítulo anterior, apartado Seguridad y homologación).


Fig. 3. 16: Aspecto general de la primera viga simulada y dimensiones principales

3.5.2. Hipótesis de cargas

Es necesario establecer las condiciones de carga a las que la viga se verá

sometida. Dichas cargas son:

Peso de la propia viga.

Peso de la cabina y de las htas. de trabajo: la cabina está unida a la viga

mediante un carro de deslizamiento que permite que ésta se desplace a lo

largo de la viga mediante un sistema de piñón-cremallera. Está soportada en 8

puntos, por lo que se modelizarán ocho cargas puntuales de valor un octavo

del peso de la cabina. Tanto la herramienta delantera como la trasera la

cabina tienen cada una una masa de 1.000 kg, lo que da ocho fuerzas

puntuales de 3.750N cada una.

Fig. 3. 17: Cargas sobre la viga a consecuencia del peso de la cabina y de las herramientas de trabajo

10 m

1.5 m

3 m


Fuerza ejercida por las herramientas de trabajo: como se vio en el epígrafe

3.1, la fuerza ejercida por las herramientas de trabajo es igual a 10.000 N.

Esta fuerza se reparte entre los 8 puntos de apoyo de la cabina sobre la viga

(2.500 N c/u). También crea un momento flector de valor 26.000 N.

Fig. 3. 18: Fuerza (izda.) y momento (dcha.) sobre la viga a consecuencia de la fuerza del suelo sobre las htas.

Bloqueo súbito de uno de los lados del tractor: esta modelización permite

simular un caso crítico, en el que un obstáculo bloquearía de forma súbita el

avance de un costado. Los motores del costado opuesto continúan forzando el

movimiento, pudiendo provocar la torsión del costado bloqueado, del mismo

modo que la deformación (flexión + torsión) de la viga. Para ello se

modelizan empotramientos en un costado y una fuerza de 40.000N (en caso

de que la potencia de las 4 ruedas se aplicara sobre un costado, con una

velocidad de avance de la máquina de 7 km/h). La traslación de los puntos 2,

3 y 4 ha sido bloqueada en la dirección del eje Z.

Fig. 3. 19: Simulación de la parada brusca de un costado

123

4


Fig. 3. 20: Recopilación de todos los casos de carga actuando sobre el tractor

3.5.3. Simulación y cálculo de la resistencia

El modelo final de viga tiene las siguientes características:

Vigas principales: perfil HEA 120

Viga superior: perfiles de sección tubular de dimensiones Ø100x5mm

Barras horizontales de la base: perfiles en escuadra de 60mm de lado y

espesor 6mm (travesaños sencillos, uno por cada cuadrado)

Travesaños del enrejado lateral: perfiles de sección tubular de dimensiones

Ø48x4mm

A continuación se muestran los resultados obtenidos con el programa

PATRAN/NASTRAN en cuanto a deformaciones sobre la viga, simulando

empotramientos en los puntos de contacto de la viga con el flanco.


Fig. 3. 21: Desplazamiento máximo en sentido del eje Z = -5,79 mm

Fig. 3. 22: Desplazamiento máximo en sentido del eje Y = -3,61 mm


Fig. 3. 23: Los esfuerzos máximos que se producen en la viga, según el criterio de Von Misses, equivalen a

61,2 Mpa (lejos del límite elástico del acero elegido S235, que corresponde a 235 MPa)

A continuación se muestran los resultados obtenidos con el programa

PATRAN/NASTRAN en cuanto a resistencia a la torsión, simulando uniones rígidas

en los puntos de contacto de la viga con el flanco.

Fig. 3. 24: Desplazamiento máximo en el sentido del eje Z = -6,29 mm


Fig. 3. 25: Desplazamiento máximo en el sentido del eje Y = 75,4 mm, cuando las herramientas siguen en

contacto con el suelo (reducen la magnitud de la torsión). Cuando las herramientas no ayudan a impedir la torsión al no estar en contacto con el suelo, el desplazamiento máximo es igual a Y = 101,2 mm (sin las herramientas).

Fig. 3. 26: Los esfuerzos máximos que se producen en la viga, según el criterio de Von Misses, equivalen a

81,8 Mpa (lejos del límite elástico del acero elegido S235, que corresponde a 235 MPa)

Se puede concluir que las dimensiones de la viga son largamente suficientes para

las cargas a las que estará sometida. El peso de esta viga alcanza los 1.200 kg, con lo

que se consigue una ganancia de una tonelada frente a la viga existente en el

prototipo del cliente.


Se podrían reducir las secciones de los perfiles empleados, pero a juicio del

cliente el aspecto visual de la viga parecería demasiado enclenque, por lo que no se

van a disminuir dichas secciones.

Fig. 3. 27: Aspecto de la viga final modelado en CATIA

3.5.4. Cálculo del efecto de vuelco

Las dimensiones de la máquina pueden inducir a pensar que en un caso de

aceleración o deceleración bruscas el Eole Tract podría volcar. Para comprobar esta

hipótesis se ha realizado un cálculo crítico con las siguientes condiciones:

El Eole Tract es lanzado a una velocidad de avance de 7 km/h (≈ 2 m/s).

El Eole Tract es parado bruscamente a nivel de las ruedas: paso de 2 m/s a 0

m/s en 0,3 segundos.

La herramienta situada en la parte delantera de la máquina está cargada con

una masa de cosecha de 2 toneladas. Esta carga está situada a 1 m de

distancia en voladizo delante de las ruedas.

La envergadura lateral de la máquina se fija a 3,50 m.

El peso de la máquina más las herramientas y la cosecha se ha fijado a 10

toneladas.

La altura del centro de gravedad (CDG) se encuentra a 2 m del suelo.


Fig. 3. 28: Esquema de dimensiones y fuerzas aplicadas sobre la estructura en el caso crítico

Se producirá vuelco del Eole Tract si:

2)(

lPhFaF ar

A continuación se muestran los parámetros utilizados para el caso crítico, que

han permitido calcular la resistencia al vuelco:

Tabla 3. 17: Verificación de la resistencia al vuelco

Tabla 3. 18: Cálculo de la fuerza de deceleración Fa


Como en tablas anteriores, las casillas verdes indican datos de entrada y las

amarillas indican resultados, con lo que se pueden simular diferentes condiciones

para estudiar el vuelco.

Estos cálculos demuestran que el Eole Tract no volcará pese al caso de carga

crítica (casilla “resultado” = no vuelco). Este resultado permite confirmar las

dimensiones actuales del Eole Tract, sobre todo en lo referente a la anchura 3,50m.

3.6. Dimensionamiento energético. Motores y grupo

electrógeno

Para realizar el dimensionamiento energético del Eole Tract es necesario definir

las exigencias de fuerzas y potencias del tractor, así como el modo de motorización.

Se consideran las soluciones 100% eléctrica y una combinación eléctrico-hidráulica.

Como se describe en el capítulo anterior, el prototipo actual funciona con motores

hidráulicos que son accionados por un motor diesel.

En futuras evoluciones del proyecto, se contempla la posibilidad de proporcionar

energía motriz mediante energías limpias (aire comprimido, fotovoltaica), por lo que

en la concepción se estudiará suministrar la energía motriz a los motores a través de

un grupo electrógeno.

La solución hidráulica requiere la instalación de 3 grupos hidráulicos:

Conjunto lateral izdo.: recoge las operaciones de levantamiento de la viga

superior (recorrido de 1m), el avance y la rotación de las ruedas y el

accionamiento de las muletas del lado izquierdo del tractor.

Conjunto lateral dcho.: ídem para el lado derecho.

Conjunto central: traslación de la cabina a lo largo de la viga, rotación de la

misma, levantamiento de las herramientas y la toma de fuerza.

Este tipo de motorización es fiable y permite disponer de una potencia fiable,

pero sin embargo requiere cierto mantenimiento, además de no concordar


completamente con el sentido biológico de la horticultura. Por este motivo se dará

prioridad a trabajar sobre una versión 100% eléctrica.

La solución eléctrica permite limitar las pérdidas de rendimiento asociadas a la

conversión de energía eléctrica en energía hidráulica (el rendimiento de los motores

eléctricos es superior al de los motores hidráulicos). Además, la motorización

eléctrica es ideal para el trabajo a velocidades reducidas, no requiere prácticamente

mantenimiento y contribuye al respeto del medio ambiente. La velocidad de los

motores eléctricos es más fácil de controlar con ayuda de encoders que la de los

motores hidráulicos. Sin embargo, plantea el problema de la seguridad de los

operarios, de la homologación y de la utilización de la toma de fuerza y del enganche

sobre la cabina.

3.6.1. Dimensionamiento energético

Para determinar el empleo de una u otra de las soluciones anteriores es necesario

calcular las necesidades de potencia y de fuerza del tractor en sus diferentes modos

de funcionamiento.

Así, se ha realizado un cálculo de la potencia para los siguientes datos de

entrada:

Velocidad máxima de desplazamiento: 7 km/h (700 m/h). Esta velocidad

corresponde al modo de circulación por carretera.

Velocidad mínima de desplazamiento: 100 m/h. Ciertas operaciones en las

que colaboran operarios requieren esta velocidad de avance tan reducida.

Diámetro de la rueda: 1.493 mm.

El sistema se compone de los siguientes motores:

Motores de avance de las ruedas (x4): se calcula el par de arrastre a partir de

la masa de la estructura, el diámetro de la rueda y la longitud de contacto

(=L/4), y la fuerza que ejercen las herramientas (nula en el caso de

circulación por carretera y de valor 20.000 N en el caso del trabajo en el

campo). Para el par de arranque se estima que para que la rueda se ponga en


movimiento se deberá vencer en un 120% la fuerza resistente de la rueda. La

potencia se calcula a partir de la velocidad de rotación deseada y el par de

arrastre.

Motores de orientación/rotación de las ruedas (x4): se distinguen dos casos,

en el primero de los cuales la máquina estaría levantada sobre las muletas, y

en el segundo de los cuales la rueda estaría apoyada en el suelo para el

cálculo de la corrección de trayectoria (circulación sobre carretera). Para

realizar el cálculo es necesario recurrir a los datos suministrados por el

fabricante de las coronas de orientación de las ruedas y a los datos de carga

axial y radial sobre cada rueda.

Motor de traslación de la cabina (x1): el par de arrastre se calcula a partir de

la masa de la cabina y del diámetro y la longitud de contacto de la rueda

piñón sobre la cremallera. La potencia se calcula a partir del par y de la

velocidad de avance lineal, transformada en velocidad angular a través del

diámetro del piñón.

Motor de rotación de la cabina (x1): el par que tiene que transmitir la corona

de dirección se calcula a partir de la relación de reducción de la corona, de las

cargas axiales y radiales y del diámetro de la corona. La velocidad de rotación

se calcula a partir del número de vueltas por minuto que dará la cabina y la

relación de reducción.

Motor del enganche tripuntal (x2, delantero y trasero): la potencia de este

motor se calcula a partir de la fuerza necesaria para levantar dicho enganche

(10.000N) y la velocidad lineal de desplazamiento del mismo.

Motor de levantamiento de la viga y de las muletas (x2, izquierdo y derecho):

la potencia necesaria para el levantamiento de la viga se calcula a partir de la

masa de la misma y de la velocidad de levantamiento. La potencia necesaria

para levantar toda la máquina apoyándose en las muletas se calcula de la

misma manera.


Toma de fuerza (x1): la potencia de la toma de fuerza ha sido calculada en el

epígrafe 3.2).

Modo CAMPO

Función motores Nº motores

Vrotación

máx. Vrotación min.

Potencia Par arranque

rpm rpm kW Nm

Avanc. Ruedas

M1 Avance rueda delantera D

1 26,53 0,38 11,00 5.500

M3 Avance rueda delantera I

1 26,53 0,38 11,00 5.500

M5 Avance rueda trasera D 1 26,53 0,38 11,00 5.500

M7 Avance rueda trasera I 1 26,53 0,38 11,00 5.500

Orientac. Ruedas

M2 Orientación rueda

delantera D 1 60,00 ‐ 0,90 100


delantera I 1 60,00 ‐ 0,90 100


trasera D 1 60,00 ‐ 0,90 100


trasera I 1 60,00 ‐ 0,90 100

Cabina M11 Traslación cabina 1 2,00 ‐ 2,00 150

M12 Rotación cabina 1 2,00 ‐ 4,00 580

TOTAL 10

75,60

Centrales Hidraulicas

Función centrales

hidráulicas

Nº centrales

Velocidad desplaz. lineal

Potencia Fuerza de levant.

m/s kW N

Eng. Tripuntal

M13Enganche tripuntal delantero

10,05 0,50 10.000

Enganche tripuntal

trasero 0,05 0,50 10.000

Levant viga/tractor

M14 Levantamiento viga D 1 0,05 1,25 25.000

Levantamiento tractor D 0,05 5,00 100.000

Levant viga/tractor

M15 Levantamiento viga I 1 0,05 1,25 25.000

Levantamiento tractor I 0,05 5,00 100.000

Nº Vrotación Potencia Par TdF

rpm kW Nm

TdF M16 Toma de fuerza 1 540,00 11,31 200

Tabla 3. 19: Recapitulación de las potencias necesarias para el funcionamiento del Eole Tract


Fig. 3. 29: Esquema de los motores del Eole Tract

En la tabla anterior se recogen las principales características de potencia,

velocidad de rotación y par requeridas por cada uno de los motores. Aunque a los

fabricantes se les plantearán las dos opciones de dimensionado (versión

exclusivamente eléctrica y versión combinada de eléctrica e hidráulica), se ha hecho

una separación previa en motores eléctricos e hidráulicos.

3.6.2. Elección del grupo electrógeno

Recapitulando las potencias necesarias, y en función de los motores que pueden

actuar simultáneamente, se llega a una necesidad de potencia en el tractor de

alrededor de 75 KW.


Definición de los casos de utilización

Trabajo en el cam

po

Desplazamiento por carretera

Desplazamiento por el cam

po

Levantamiento del tractor

Rotación a 90º de las ruedas sobre

las muletas

Rotación de la cabina (90° ou 180°)

Traslación de la cabina

Ajuste altura de trabajo

Levantamiento de las herrameintas

Avance ruedas x x x

Orientación ruedas x x x x

Muletas (levant. tractor) x

Levantamiento viga x

Rotación cabina x

Traslación cabina x

Toma de fuerza x

Enganche tripuntal x

Tabla 3. 20: Simultaneidad en el funcionamiento de los motores del Eole Tract

En los siguientes gráficos se muestra la potencia máxima que puede necesitar el

tractor en las operaciones de cultivo del campo, transición entre bandas y

desplazamiento por carretera en función de los motores que puedan actuar

simultáneamente.

Fig. 3. 30: Funcionamiento en el modo de trabajo en el campo

1 posicionamiento sobre el campo


3 accionamiento de la toma de fuerza

4 cultivo del suelo



7 traslación de la cabina


9 cultivo del suelo



Fig. 3. 31: Funcionamiento en el modo de cambio de banda

Fig. 3. 32: Funcionamiento en el modo de desplazamiento por carretera

El modelo inicialmente elegido es el modelo J88K de la marca SDMO7, capaz

de proporcionar una potencia de 90 KVA (factor de potencia de 0,8).

3.6.3. Elección de los motores

Una vez obtenidas las exigencias de fuerza y de potencia de los diferentes

elementos del tractor, se ha contactado con varios proveedores de motorización (CIR

vende motores de marca Leroy Sommer, Mabéo vende motores de marca Siemens, y

7 Consultar ficha técnica del grupo electrógeno y del carenado en el anexo 6.10.

1 levantamiento lados dcho e idzo

2 orientación de las ruedas lados izdo y dcho

3 bajada de los lados izdo y dcho

4 rotación cabina

5 avance sobre las 4 ruedas hasta la banda siguiente

6 levantamiento lados dcho e idzo



9 rotación cabina

1 levantamiento lados dcho e izdo



4 rotación cabina

5 desplazamiento sobre la carretera


Reggiana Riduttori) para estudiar y contrastar las diferentes soluciones propuestas en

términos técnicos y de coste.

El fabricante Mabéo propone una motorización mixta, cuyos detalles se pueden

consultar en el anexo 6.11. La gran amplitud de velocidad (de 100 a 7.000 m/h)

supone un problema para el avance de las ruedas en eléctrico, por lo que esos

motores son propuestos en versión hidráulica y el resto de motores del cuadro de la

versión eléctrica son propuestos en versión eléctrica (motores asíncronos).

Reggiana Riduttori también propone una solución mixta, aunque no propuesta

hasta la fecha. Es especialmente interesante considerar la proposición de este

fabricante ya que los motores actuales sobre el prototipo Eole Tract han sido

suministrados por el mismo.

No se han decidido modelos específicos de motores hasta el momento, ya que no

se ha recibido respuesta de todos los proveedores contactados, ya que CIR se

comprometió a suministrar una versión 100% eléctrica de los motores, empleando

motores síncronos, solución que deberá ser comparada con las ofertas de Mabéo y

Reggiana Riduttori.


A continuación se exponen los pasos seguidos para desarrollar el sistema de

guiado que corregirá el rumbo del Eole Tract cuando éste se desplace por el campo.

Como se vio en el capítulo anterior, la solución desarrollada en este proyecto es

un sistema de guiado mediante brújula electrónica, que realizará la corrección del

rumbo a seguir actuando sobre la velocidad de ambos lados del tractor.

La lectura de la orientación del tractor y la actuación sobre la velocidad de los

lados de la máquina se realizará por medio de un autómata programable. En

epígrafes posteriores se desarrollará un algoritmo de control de rumbo por medio del

control de velocidad.


3.7.1. Brújula electrónica. Características

CMPS09 es un sensor de brújula digital compensado en inclinación. Este sensor

emplea un magnetómetro de 3 ejes, un acelerómetro de 3 ejes y un microcontrolador

de 16 bits para compensar el error causado cuando se inclina el circuito.

La salida del circuito es un numero de 0 a 3599 que representa de 0 a 359,9

grados o bien un valor entre 0 y 255. La salida de los tres sensores magnéticos se

compensa con los valores de inclinación de los acelerómetros para calcular el rumbo.

Los valores de todos los componentes utilizados en la medición también están

disponibles en formato RAW.

La alimentación es de 3,3 a 5V con un consumo de 25 mA. El modulo CMPS09

cuenta con interfaz serie (a nivel TTL), interfaz I2C y modo de salida de PWM. Sus

diminutas dimensiones lo hacen ideal para un amplio abanico de posibilidades y todo

tipo de robots.

Un acelerómetro es un dispositivo, un componente electrónico activo, que puede

detectar movimientos lineales. Es decir, si al cuerpo donde se encuentra este

elemento lo movemos hacia un lado o hacia otro, obtendremos una lectura

proporcional a la salida del dispositivo. Algunos modelos de acelerómetros entregan

una señal con ciclo de trabajo variable (PWM), otros entregan una tensión analógica

proporcional, y otros ofrecen una serie de datos a través de una comunicación serie

con un microcontrolador (SPI, I2C). Estos acelerómetros son capaces de ofrecer

información sobre el desplazamiento lineal del dispositivo en los tres ejes que

definen la posición de un punto en el espacio: X, Y, Z.

Un magnetómetro es un dispositivo que sirve para cuantificar en fuerza o

dirección la señal magnética de una muestra. El magnetismo varía entre unos lugares

y otros debido a las diferencias en el campo magnético terrestre (la magnetosfera),

que pueden ser causadas por las diferentes naturalezas de las rocas presentes en las

diferentes capas del terreno.

La modulación por ancho de pulsos (también conocida como PWM, siglas en

inglés de pulse-width modulation) de una señal o fuente de energía es una técnica en


la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal o

una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal

de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga.

El principio general consiste en que al aplicar una sucesión de estados discretos

durante duraciones bien escogidas, se puede obtener de media sobre una duración

determinada cualquier valor intermedio.

El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva

en relación con el período. Expresado matemáticamente:

TD

donde D ciclo de trabajo

τ tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso)

T período de la función

Fig. 3. 33: Esquema del ciclo de trabajo de una señal de onda cuadrada de amplitud acotada entre los

valores ymax e ymin.

La orden en PWM consiste en una sucesión rápida de señales numéricas. Pueden

ser, por ejemplo, señales todo o nada, es decir que alternan sin transición entre un

valor mínimo fijo A (extinción) y un valor máximo fijo B (encendido). Si la

frecuencia elegida es lo suficientemente rápida, el resultado de esta alternancia

rápida entre extinción y encendido se funde en un valor medio. En función de la

duración de las señales A en proporción a las señales B, la media obtenida da un gran

número de valores intermedios.

Para controlar la velocidad de un motor, por ejemplo, la señal PWM aplica

impulsiones de corta potencia al motor a la tensión máxima. Cambiando la duración


de las impulsiones, la tensión y la velocidad medias cambian pero el par, cuando una

impulsión es aplicada, es siempre el valor máximo.

La señal de PWM de esta brújula no es directamente explotable por el autómata,

por tanto se ha requerido ayuda electrónica para diseñar una tarjeta electrónica

dotada de un microcontrolador que reciba la lectura de la brújula y transforme dicha

lectura en un valor de tensión que podrá ser utilizado por el autómata, como se

muestra en la Fig. 3. 34. Esta tarjeta electrónica está dotada además de un sistema de

lupa, que reduce la captación del rumbo a un cono de 90º (45º a cada lado del rumbo)

en lugar de los 360º de lectura de la brújula (Fig. 3. 37).

Fig. 3. 34: Tarjeta electrónica con microcontrolador para explotar la señal de la brújula

3.7.2. Principio de guiado

Como se expuso en el capítulo 1 al describir el funcionamiento del prototipo, se

partirá de la base de que la desviación de la trayectoria inicial del tractor se debe a

dos factores (Fig. 3. 35): por una parte, a la diferencia de velocidades que se produce

entre los lados izquierdo y derecho de la máquina, y por otra, a los accidentes en el

terreno que pueda encontrar uno de los lados de la misma. En el caso de que un

costado patinase y el otro no, el tractor se desviaría aunque el encóder del motor

marcara la misma velocidad de rotación que la del otro costado del tractor.


La orientación de las ruedas no es la causante del problema ya que éstas se fijan

en la dirección paralela a las bandas del campo y no se dirigen en el desplazamiento

a través de la banda de rodadura.

Fig. 3. 35: Causas de desviación del prototipo Eole Tract

El esquema del sistema de control de trayectoria del tractor a través de las

velocidades se muestra a continuación:


Fig. 3. 36: Esquema de control de velocidades

Como se puede ver en la Fig. 3. 37, se tomará un valor máximo de desviación

del rumbo del tractor de 45º hacia cada lado. No ha lugar establecer valores

superiores de este cono de actuación, ya que se busca una precisión muy pequeña y

se persigue corregir desviaciones de unos pocos grados. En cuanto la desviación

alcance un valor de unos cuantos grados el sistema de control actuará sobre las

velocidades de cada lado y se corregirá la trayectoria, sin salir del cono de 90º.


Los valores de salida de la brújula para la indicación del rumbo se miden de 0 a

10V, lo que corresponde a un determinado número de bits en el lenguaje del

autómata.

Fig. 3. 37: Esquema del principio de guiado a través de la indicación de la brújula

El ángulo α mide la desviación con respecto del rumbo: es la diferencia entre el

rumbo proporcionado en cada instante de tiempo y el rumbo determinado en el

instante inicial:

0)( t

3.7.3. Diseño de la maqueta

Para realizar pruebas con la solución de guiado mediante brújula electrónica se

ha realizado una maqueta a escala 1:10.

Para ello se ha hecho una concepción en un software CAO (Computer Aided

Design), el programa CATIA V5, en la que se han diseñado los perfiles de viga de

que se disponía, así como el resto de componentes comerciales.

Los perfiles son de sección cuadrada, con acanaladuras en el centro que dejan

pasar la cabeza de tornillos de métrica 8. La unión entre los perfiles se realiza

mediante escuadras taladradas, fabricadas a tal efecto, para atornillar y desatornillar

fácilmente los perfiles (Fig. 3. 38).


Fig. 3. 38: Vista del perfil de viga empleado y de las escuadras de fijación para agujeros de M8

La sujeción de las ruedas se ha realizado mediante dos placas de aluminio que

son atravesadas por los árboles de las ruedas, de acero. Para evitar una fricción

excesiva se han colocado cojinetes de bronce entre el soporte y el árbol (parte fija y

parte móvil). Cada árbol de la rueda motriz ha tenido que ser mecanizado en dos

partes para poder realizar el montaje con el motor (recibir el árbol de transmisión de

salida del motor) y contar con un escalón a cada lado para impedir que el árbol se

salga de las placas de aluminio. El eje de las ruedas no motrices se compone de una

única pieza. Se impide que se salga de las placas de aluminio fijándolo en sus dos

extremos a unas placas más pequeñas que no giran ya que están sujetas a su vez por

otro tornillo (Fig. 3. 39).

Fig. 3. 39: Detalles del árbol de las ruedas motrices (izda.) y del eje de las ruedas no motrices (dcha.)

En cuanto a la elección de las ruedas, ésta se ha hecho de manera que se imite en

la medida de lo posible el modelo de rueda del Eole Tract. Es por ello que se ha

elegido una rueda con neumático hinchable en lugar de una rueda rígida8. En su eje,

8 Las características de las ruedas se pueden consultar en el anexo 6.12.


las ruedas motrices tienen un chavetero para acoplar un eje motor y las ruedas no

motrices tienen un rodamiento de rodillos.

Los motores han sido dimensionados en base al par necesario que debía ser

transmitido según el peso de la maqueta, y la velocidad de avance deseada. Un

parámetro que ha influido en la elección de los motores ha sido la tensión de

alimentación: el circuito de brújula es alimentado a 12V, los motores y el autómata a

24V. Se precisaba que los motores fueran de corriente continua y transmitieran una

determinada potencia, calculada en base al par y a las revoluciones. Se ha escogido el

modelo MCC 24V 5Nm 15,6W 104 rpm de la marca Crouzet9, que funciona con

corriente continua.

Fig. 3. 40: Vista en perspectiva de la maqueta realizada en CATIA (izda.) y vista de la maqueta conectada a

una alimentación estabilizada para verificar el funcionamiento de los motores (dcha.)

Se pretende realizar los ensayos en ausencia de cables para que la maqueta no se

desvíe innecesariamente en caso de tensado del cable de alimentación o de la

posición del mismo en el suelo, por lo que los motores y el resto de componentes de

la maqueta serán alimentados por dos baterías de 12V, conectadas en serie para

obtener 24V10.

Se ha colocado además un puntero láser en el frente de la maqueta para facilitar

los cálculos de desviación del rumbo: se posiciona inicialmente la maqueta y se

9 Consultar datasheet de los motores MCC 24V 5Nm 15,6W 104 tr/min de la marca Crouzet en el anexo 6.13.

10 Anexo 6.14.


marca el lugar hacia el que apunta el láser. Al final del recorrido de la maqueta se

toma el punto final y se mide la distancia entre ambos, lo que dará la magnitud de la

desviación11.

Fig. 3. 41: Detalle del láser empleado para dirigir hacia el rumbo inicial y medir la desviación final

En la siguiente figura se presenta el aspecto final de la maqueta con todos sus

componentes integrados en ella. Ha sido necesario realizar el montaje de un circuito

de potencia entre el autómata y los motores, ya que el autómata no era capaz de

proporcionar la potencia necesaria para hacer avanzar a los motores.

11 Datasheet en anexo 6.15.


Fig. 3. 42: Maqueta final utilizada en los ensayos

3.7.4. Programa del autómata de control

El programa de control del rumbo del tractor por medio del control de la

velocidad del tractor se compone de una serie de entradas, de los bloques del

programa de control, y de una serie de salidas (Fig. 3. 44), gestionadas gracias a un

autómata programable12.

Se puede programar tanto en lenguaje Ladder como en lenguaje de bloques. El

programa de control se ha realizado en lenguaje de bloques por ser más intuitivo.

La ventaja de emplear un autómata en lugar de un microcontrolador es que se

puede modificar el valor de los parámetros de los diferentes bloques in situ, es decir,

no es necesario modificar el programa y volcarlo a cada vez sobre la tarjeta

12 Consultar datasheet del autómata CD20S en el anexo 6.16.


electrónica, sino que al mismo tiempo en que se realizan ensayos se pueden

modificar los parámetros según las observaciones que se realizan en tiempo real.

Fig. 3. 43: Autómata programable utilizado, marca Crouzet, modelo CD20S 24VDC CUSTOM


Fig. 3. 44: Programa del autómata de control del rumbo en función de la velocidad de los lados izquierdo y derecho. Consultar el anexo 6.17. para mejor visibilidad


Las entradas al sistema son:

Brújula: proporciona una lectura del rumbo de la maqueta en cada instante de

tiempo con respecto al Norte magnético, σ(t). La entrada es de tipo analógico.

Potenciómetro: mediante el que se fija la velocidad deseada de avance de la

maqueta. Esta es la velocidad que se intentará mantener durante todo el

recorrido, pero que se verá incrementada en un lado y decrementada en el otro

para conseguir corregir la velocidad y, por tanto, el rumbo. También es una

entrada analógica.

Como se puede ver en el esquema anterior, el programa del autómata de control

está compuesto por diferentes bloques:

Memorización del rumbo: después del posicionamiento inicial de la maqueta,

se apoya sobre el botón representado como “A”, con lo que se guarda ese valor

como valor del rumbo a seguir por la maqueta, σ0. También se muestra en

pantalla, lo que permite asegurar la repetibilidad en los ensayos, al disponer de

un medio instantáneo para leer el rumbo a seguir.

Reglaje de la velocidad: el potenciómetro de entrada regula la velocidad

media de la maqueta, valor que se muestra en pantalla. Tras un período de 3

segundos los motores se ponen en marcha, y se detienen tras 1 minuto. Esta

función de parada de la maqueta se ha establecido para no introducir errores de

desviación al pararla manualmente al final del recorrido y para que no consuma

energía si se hace un ensayo cualitativo en el que no se requiere de un

posicionamiento inicial preciso ni de la persona que detiene la maqueta al final

de su recorrido.

Desviación del rumbo: se calcula la diferencia entre el rumbo proporcionado

en cada instante t, σ(t), y el rumbo almacenado en la memoria del programa en el

instante inicial de arranque de la maqueta σ0. , es decir, según el esquema de la

Fig. 3. 37, 0)( t .


Zona muerta: el valor de rumbo proporcionado por la brújula puede verse

influido por efectos parásitos tales como vibraciones, imprecisión de la brújula,

imprecisiones del terreno, etc. En caso de que esto ocurra es preciso asegurarse

de que la corrección no va a entrar en juego al detectar estas pequeñas

variaciones con respecto al rumbo proporcionado por la brújula, con el objetivo

de no saturar al autómata con correcciones. Para ello se dispone la zona muerta,

que crea unos márgenes de pequeña amplitud con respecto a la entrada inicial

del rumbo de la brújula σ0. Esta amplitud se puede regular.

Regulación PID: se ha diseñado un controlador Proporcional Integral

Diferencial para hallar la magnitud de la corrección a efectuar sobre los motores.

Los parámetros pueden ser modificados, teniendo en cuenta que al aumentar la

ganancia (P) del controlador, aumenta la rapidez de la corrección pero crea

inestabilidad. El coeficiente de integración (I) disminuye el error estático pero

crea inestabilidad, y el coeficiente de derivación (D) mejora la estabilidad del

sistema limitando las oscilaciones.

Corrección + vmedia: este bloque recibe el valor de la velocidad del bloque de

entrada y el incremento en la corrección de velocidad proveniente de la

regulación PID y lo envía a uno de los motores (dcho.).

Oposición de la orden de corrección: este bloque recibe el incremento de

corrección de la regulación PID, lo multiplica por -1 y lo envía al bloque de

corrección de la velocidad del otro motor (izdo.).

Muestra de la saturación de los motores: cuando el autómata envía la

corrección al motor, el valor de velocidad que recibe el motor debe estar

comprendido entre 0 y 1024 bits. Si, al añadir la corrección, el valor de entrada

al motor es mayor de 1024, se muestra en la pantalla del autómata la saturación

del motor correspondiente.

Puesta a 0 si la orden es inferior a 0: cuando el autómata envía la corrección

al motor, el valor de velocidad que recibe el motor debe estar comprendido entre


0 y 1024 bits. Si, al añadir la corrección, el valor de entrada al motor es

negativo, este bloque lo pone a 0.

Freno, puesta en cortocircuito del motor: el bloque de salida “freno” activa

un relé13 que permite cortocircuitar el motor. En el circuito de potencia se ha

instalado un transistor que envía la orden 0V alternativamente con la orden 24V

(señal PWM) al motor. Para no quemar el transistor del circuito de potencia en

caso de hacer el cortocircuito cuando el autómata está enviando 24V, este bloque

recibe la orden de puesta a 0 del bloque anterior (Puesta a 0 si la orden es

inferior a 0), verifica que la orden del autómata sobre el motor esté a 0V y activa

un temporizador, después del cual se produce el cortocircuito del motor.

Puesta a 0 de los motores para la orden cercana a 0: en los ensayos con la

maqueta, la parada de la máquina (cuando ésta llega al final del recorrido

establecido en el test) se realiza girando el potenciómetro para disminuir la

velocidad hasta que ésta llegue a 0. Sin embargo en la práctica no se llega hasta

el valor 0, por ello este bloque envía la orden de velocidad de entrada en cada

motor = 0 cuando el valor de entrada de velocidad proveniente del

potenciómetro está próximo a 0; de esta manera no se consume corriente.

Las salidas del autómata son las siguientes:

Salida PWM: la señal entra en el motor y ajusta su velocidad con respecto al

valor medio marcado por el potenciómetro de entrada. Existe un bloque de este

tipo para cada uno de los dos motores.

Salida Todo o Nada: esta salida activa el relé que permite cortocircuitar el

motor y de esta manera frenar su avance. Existe un bloque de este tipo para cada

uno de los dos motores.

13 Datasheet en el anexo 6.19.


En el anexo 6.18. se puede consultar la toda información que proporciona el

software del autómata, informaciones sobre el programa (duración de un ciclo del

autómata, frecuencia de las señales PWM, etc.), esquema del programa, y

características de cada uno de los bloques del mismo (entradas físicas, teclas del

controlador, salidas físicas, funciones parametrizables, muestras del valor de ciertos

bloques en pantalla y operaciones de adición y sustracción).

3.7.5. Metodología de los ensayos

El objetivo de la construcción de la maqueta ha sido el de demostrar (o no) la

viabilidad del principio del guiado mediante brújula electrónica, ya que es una

solución a bajo coste en comparación con las demás soluciones de asistencia al

guiado (GPS, laser, filoguiado…).

Fig. 3. 45: Esquema del circuito de ensayos

El procedimiento a seguir es el siguiente:

1. Acondicionamiento del terreno de ensayos: según el esquema de la Fig. 3. 45, se

coloca un cable rojo en el suelo siguiendo una línea recta, a lo largo de una

distancia de 30 m. Se realizan marcas en el suelo cada 5m para poder estimar las

distancias a las que la maqueta desvía en cada uno de los ensayos. Al final del

recorrido se coloca una mesa o tabla en la que se marca el punto inicial y el final

del láser situado en la maqueta.

2. Posicionamiento inicial: se posiciona la maqueta sobre el rumbo a seguir con

ayuda del láser. Este ha sido posicionado de tal manera que la trayectoria del

flanco derecho de la maqueta coincida con la dirección hacia la cual apunta el

láser (es tan sólo una herramienta que permite un posicionamiento inicial

preciso).


Fig. 3. 46: Ensayo en terreno llano con el láser situado en el costado derecho, posicionado sobre la línea de

referencia del suelo

3. Lectura inicial de la brújula: se apoya sobre el botón negro de la tarjeta

electrónica (ver Fig. 3. 34, “botón de reseteo del rumbo”). Esta acción permite

reinicializar el sistema de lupa electrónica que tiene como objetivo mejorar la

precisión del sistema. El autómata transforma una entrada analógica (0 – 10V)

en un dato numérico codificado sobre 10 bits (0 a 1024). De esta manera el

módulo de lupa permite hacer zoom a ± 45º alrededor de la posición inicial,

correspondiendo una tensión de 5V al rumbo a seguir (como se vio en la Fig. 3.

37).

4. Memorización del rumbo: se apoya sobre el botón “A” del autómata para

memorizar el valor del rumbo σ0. Este será comparado al valor de la orientación

de la brújula (y por tanto de la maqueta) en tiempo real σ(t). Este valor varía

entre 15 y 20 bits, por ello es importante hacer que el autómata la lea

directamente para evitar propagar un error potencial inicial.

5. Regulación de la velocidad media de avance: presionar (durante menos de 3

segundos) la tecla “B” del autómata para visualizar la velocidad media de

avance programada de la maqueta (entre 0 y 1023). Ajustar con el

potenciómetro de avance. Presionar “B” durante 3 segundos para arrancar el

ensayo.


6. Parada del ensayo: para parar la maqueta, es necesario presionar la tecla “ESC”

del autómata. También es posible poner el potenciómetro a 0 o desconectar la

batería. En cualquier caso, y como se ha visto en la descripción del programa de

control, el ensayo se detendrá automáticamente después de 1 minuto de

funcionamiento.

7. Ajuste de los parámetros de regulación: es posible ajustar los parámetros de los

bloques de regulación directamente a partir de la pantalla LCD del autómata.

En la siguiente imagen se puede ver el camino seguido en los ensayos.

Fig. 3. 47: Izda., fotografía del camino de medida (maqueta al fondo) y dcha., marca en el camino cada 5m

En la tabla siguiente se muestran los resultados obtenidos sobre una treintena de

ensayos. Es necesario precisar que aquellos ensayos en los que la desviación es

superior a 20 cm fueron realizados con un control proporcional, P, en lugar de uno

PID, ya que el programa ha ido sufriendo diferentes modificaciones a lo largo de la

realización de los ensayos. Los resultados son pues muy prometedores, ya que

responden a la precisión deseada con la brújula actual.


número porcentaje %

Ensayos 26 100,0

Desv. Rumbo final ? 5 cm 5 19,2

Desv. rumbo final ? 20 cm 11 42,3

Desv. Rumbo final ? 20 cm 10 38,5 Tabla 3. 21: Resultados de los ensayos realizados

3.7.6. Conclusión y apertura

Se puede concluir por tanto que el sistema de guiado por brújula electrónica es

viable para servir de asistencia al pilotaje.

También se ha podido apreciar la gran influencia de los diferentes parámetros

que intervienen en el ensayo, tanto referentes al programa del autómata (amplitud de

la zona muerta, valor de la constante del proporcional, cortocircuito o no de los

motores…) como a las condiciones del ensayo (velocidad de avance de la maqueta,

suelo con grava que hace que la rueda patine, presencia de automóviles que puedan

crear un campo magnético que desvíe la indicación de la brújula…).

Con vistas a la implantación del sistema de guiado mediante brújula electrónica

sobre el prototipo existente del Eole Tract, se ha diseñado un diagrama sinóptico del

pilotaje cuando se realizan labores sobre el terreno (Fig. 3. 49).

En dicho diagrama se presentan dos modos de pilotaje, el modo con asistencia

de la brújula y el modo totalmente pilotado por el conductor del Eole Tract. En el

modo pilotado por el conductor, se actúa sobre el potenciómetro para variar la

velocidad, variación que es aumentada por un coeficiente multiplicador y

posteriormente enviada como positiva hacia un motor y como negativa hacia el otro.

En el modo asistido por la brújula, se almacena el rumbo inicial en la memoria,

se realiza la diferencia entre dicho valor y σ(t) y se calcula el incremento a aplicar a

los motores a través del controlador PID. No obstante, se da prioridad al modo

manual de conducción para que si el tractor se desvía bruscamente sea posible volver

a orientarlo manualmente.


La salida del autómata es de tipo PWM, y los accionadores sobre los motores

son distribuidores hidráulicos, por lo que será necesario efectuar un alisamiento de la

señal de entrada (Fig. 3. 48).

Fig. 3. 48: Pilotaje de los distribuidores hidráulicos del Eole Tract

La puesta en posición inicial deberá ser asistida. Se contemplan dos soluciones

para tal efecto: la primera de ellas sería hacer una pasada manual (modo de pilotaje

realizado 100% por el conductor) e ir tomando una serie de medidas de rumbo para

posteriormente obtener el valor medio; y la segunda de ellas sería equipar al tractor

con un sistema visual (cámaras) que permita un posicionamiento manual preciso.

Es necesario prever un pupitre de control en el que se den las diferentes órdenes

al sistema. El botón presente actualmente sobre el módulo brújula (reseteo del

rumbo) deberá ser llevado al pupitre de control o tratado en el programa del

autómata.

Se deberá elegir una brújula compensada en masas metálicas y en inclinación,

que ofrezca mejores prestaciones de precisión y repetibilidad14.

Para la fabricación en serie del Eole Tract se partiría de la idea de eliminar el

autómata y en su lugar dar las órdenes a través de un microcontrolador más

completo, lo que adicionalmente redunda en una disminución del espacio que ocupa

al autómata.

14 Información sobre la brújula Revolution GS, compensada en inclinación, en el anexo 6.21.


Fig. 3. 49: Diagrama sinóptico del pilotaje en las operaciones sobre el campo

4

Análisis de resultados y

conclusiones

4. Análisis de resultados y conclusiones 138

4. Análisis de resultados y conclusiones

4.1. Sistema de desplazamiento ______________________________________ 139

4.2. Dimensionado estructural de la viga superior _______________________ 140

4.3. Dimensionado energético. Motores y grupo electrógeno _______________ 141

4.4. Sistema de guiado _____________________________________________ 141

4.5. Acciones futuras propuestas _____________________________________ 142


En este capítulo se sintetizan los resultados y conclusiones alcanzadas en las

soluciones llevadas a cabo en la definición de cada uno de los diferentes aspectos a

considerar en el diseño del Eole Tract. Los diferentes aspectos son:

Sistema de desplazamiento

Dimensionado estructural de la viga superior

Dimensionado energético, elección de los motores y del grupo

electrógeno

Sistema de guiado

Las soluciones elegidas se han visto influidas por numerosos parámetros, siendo

los principales las exigencias del cliente y las normas de homologación de un

vehículo destinado al trabajo en el campo (operado por tanto por trabajadores) que

puede circular ocasionalmente por carretera (desplazamiento entre parcelas de

cultivo).

Dichos parámetros se traducen en numerosos aspectos a vigilar

permanentemente en cualquiera de las etapas del presente estudio de viabilidad: el

coste de las diferentes soluciones, la integración de cada elemento con el resto de los

componentes del tractor, las restricciones de dimensiones, las restricciones de

suministro energético y de peso total del tractor.


El sistema de desplazamiento escogido es el sistema de neumáticos de baja

presión. De esta manera se reduce la presión en el suelo y se evita el deterioro del

mismo a causa de la compactación.

Respetando la anchura máxima permisible de 3,50 metros (capítulo 1, epígrafe

Seguridad y homologación), las dimensiones de estos neumáticos crean importantes

efectos de máscara (Fig. 4. 1), que serían inevitables con la solución cuatro orugas o

la solución neumáticos más orugas.


Además, los flancos tampoco permiten una buena visibilidad incluso aunque las

dimensiones de las ruedas fueran más reducidas, por lo que la solución propuesta

para paliar a este problema será trasladar el puesto de conducción para los

desplazamientos por carretera desde la cabina hasta el costado que no soporta el

grupo electrógeno (en azul en la Fig. 4. 1), como se puede ver en la Fig. 4. 2.

Fig. 4. 1: Las dimensiones de las ruedas generan efectos de máscara importantes

Fig. 4. 2: Solución propuesta para mejorar la visibilidad en carretera

4.2. Dimensionado estructural de la viga superior

Se han realizado cálculos para un modelo de viga triangular, que es más ligera

que una viga cuadrada, lo que ocasiona que no se pueda colocar el grupo electrógeno

en la viga, y que tenga que ser situado en uno de los costados. Esto desequilibra la


estructura, por lo que los cálculos de presión sobre el suelo se han realizado teniendo

en cuenta este lado más cargado de la estructura.

Se han realizado ensayos sobre el programa PATRAN/NASTRAN con

diferentes secciones y diferentes perfiles. En un principio se priorizó el uso de

perfiles abiertos, más recomendados para un uso al aire libre ya que es más fácil

detectar grietas en este tipo de perfiles.

Sin embargo, para favorecer el menor peso del conjunto y obtener valores más

reducidos de presión sobre el suelo, se han empleado finalmente perfiles se sección

tubular para los travesaños y perfiles HEA para las tres vigas principales de 10

metros.

4.3. Dimensionado energético. Motores y grupo electrógeno

En primer lugar se ha realizado un dimensionamiento energético para conocer

las necesidades de potencia globales del Eole Tract, en función del número de

motores a instalar y de la simultaneidad de la actuación de cada uno con respecto a

los demás en los diferentes modos de funcionamiento (campo, cambio de banda,

carretera), teniendo en cuenta que la velocidad mínima de 100 m/h y una velocidad

máxima de 7 km/h.

Se han solicitado proposiciones técnicas y comerciales a diferentes fabricantes

de motorización eléctrica e hidráulica (diferentes soluciones propuestas de motores

síncronos, asíncronos e hidráulicos, soluciones que combinan energía eléctrica e

hidráulica). Estas propuestas no han sido completamente suministradas hasta la

fecha.


Se parte del análisis de la necesidad de guiado a satisfacer y se opta por una

solución con bajo coste como es la brújula electrónica. Se ha realizado una maqueta

para comprobar la viabilidad del sistema de brújula electrónica, actuando sobre la


velocidad de los motores derecho e izquierdo mediante un autómata, y así actuar

sobre la dirección de la maqueta.

Tras algunas evoluciones del programa y un gran número de ensayos en

diferentes terrenos, los resultados de corrección de la trayectoria han sido

satisfactorios, por lo que el principio de guiado por brújula electrónica queda

validado sobre la maqueta.

Una acción posterior a llevar a cabo será la adaptación de este sistema al

prototipo real, para lo que habrá que obtener datos más precisos sobre el

funcionamiento y cableado actual del Eole Tract y crear un protocolo de actuación

para los ensayos.

4.5. Acciones futuras propuestas

Es importante destacar el efecto que cada uno de los aspectos anteriormente

expuestos (sistema de desplazamiento, dimensionado de la viga superior,

dimensionado energético y actuadores, masa del conjunto) tiene sobre los demás: la

concepción no puede realizarse sobre cada elemento de manera aislada, sino que es

imprescindible trabajar en paralelo ya que las restricciones en un aspecto conllevan

modificaciones en el resto. Por ejemplo, el hecho de poner el grupo electrógeno en

un costado conlleva redimensionar el flanco para que soporte el peso (el

dimensionamiento energético influye en la concepción mecánica), y el hecho de

necesitar homologación influye en las dimensiones de la máquina y en consecuencia

en la integración de los diferentes componentes (ruedas, motores, muletas, grupo

electrógeno, puesto de conducción) en la estructura.

En cuanto al modo de desplazamiento, es responsabilidad del cliente

acondicionar el terreno (las bandas de tierra compactada) para que soporte el valor de

presión sobre el suelo determinado en el cálculo (1.000 g/cm2). Si esto no fuera

posible, se contempla pasar a bandas de rodadura realizadas en hormigón, técnica

que desde hace varios años se utiliza en los cultivos en Israel. El inconveniente de

esta solución es que además de suponer una gran obra de acondicionamiento del


campo, también resulta costosa (15 €/m lineal = 10.000 € por ha). Se ha trabajado

en el proyecto con un modelo de tractor de 12 metros de largo, siendo el prototipo de

18 metros, por razones de homologación de un vehículo que circula en carretera. Sin

embargo, se proyecta el estudio de una versión 18 metros, en función de la demanda

futura existente. La viga tendría un vano de 16 metros en esta solución. Se descarta la

idea de hacer una viga modulable (tramos de 5-6 metros) ya que al dimensionar las

uniones entre tramos la viga se volvería demasiado pesada, teniendo en cuenta los

elevados esfuerzos mecánicos que soportarían las uniones.

En cuanto al modo de suministro energético, y en la vía de la agricultura

ecológica, se propone estudiar en un tiempo futuro la opción de suministrar una parte

de la energía que requiere el tractor mediante energías limpias, como la energía

fotovoltaica. Se aprovecharía el espacio sobre la viga para disponer los paneles

solares y las baterías en las que se almacenaría esta energía. Esto permitiría reducir el

tamaño del grupo electrógeno, lo que sería igualmente un argumento comercial para

el proyecto.

El sistema de guiado mediante brújula se considera suficiente para los objetivos

del Eole Tract. Incluso si no ofrece la precisión centimétrica deseada por el cliente,

es necesario hacer notar que la calidad de los cultivos radicará principalmente en la

precisión de la herramienta de trabajo, no en la precisión de la máquina. Bastará por

tanto que el tractor conserve una trayectoria recta, y se necesitarán por el contrario

sistemas de guiado preciso de las herramientas de trabajo.

Sin embargo, la ventaja del GPS es que actualmente es una tecnología en pleno

desarrollo, los productos informáticos alrededor del GPS están conociendo una gran

expansión, por lo que la instalación de una solución GPS en el tractor permite

gestionar no sólo el rumbo, sino también otros elementos de explotación agrícola.

Además de las operaciones de tratamiento del terreno, cultivo y cosecha, el

sistema Eole Tract permite sobrevolar la parcela para depositar las mallas de

protección de cultivos de insectos y condiciones climáticas adversas. También

permitiría recoger dichas mallas para una posterior utilización.


Para finalizar, se apunta el hecho de que el segmento de mercado al que va

dirigido el Eole Tract debería ser redefinido. En efecto, descarta a los agricultores

que necesitan máquinas ligeras y de poca potencia, como es el caso de los

recolectores de melones, operación que se realiza en cultivos en línea y en verano,

por lo que el suelo se encuentra perfectamente practicable y las necesidades de

potencia son menores, con lo que no serían necesarias ruedas tan grandes.

Es por tanto necesario definir precisamente el segmento de mercado y a quien se

dirige el Eole Tract. Para ello el cliente asistirá al Salón de la Agricultura de Agen,

en el sur de Francia, con el objetivo de detectar potenciales compradores y mantener

su presencia comercial.

5

Bibliografía

5. Bibliografía/Web-grafía 146

Bibliografía

[CAÑA03] Ortiz-Cañavate, Jaime. Las máquinas agrícolas y su aplicación. Ediciones Mundi-Prensa, 2003

[SMIT, VARIOS00] Clasificación de vehículos en función del grado de

compactación ejercida sobre suelo agrícola. Instituto Nacional de Técnicas Agrarias, Buenos Aires, 2000

[RÍO06] Generación de rutas para el guiado de un tractor en

una parcela agrícola mediante GPS. E.T.S.I. de Telecomunicaciones, Universidad de Valladolid, 2006

Otra normativa de aplicación y consulta Otros proyectos de contenido relacionado

5. Bibliografía/Web-grafía 147

Webgrafía

Departamento de agricultura. Generalitat de Catalunya.

Agricultura de precisión. Sistemas automáticos de nivelación agrícola

http://www20.gencat.cat/docs/DAR/Documents/Arxius/res02.pdf

ASTI, Automatismos y sistemas de transporte interno, S.A.

http://www.asti.es/agv12.htm

Agricultura de precisión TRIMBLE

http://www.agrosap.es/pdf/Agtrimble.pdf

Avances en la mecanización de la viña en España

http://www.marm.es/ministerio/pags/biblioteca/revistas/pdf_vrural/Vrural_2004_193

_46_49.pdf

Manual de tractores John Deree

www.manuals.deree.com

Sistema GPS Nav On Time

http://www.navontime.com/

6

Anexos

6. Anexos 148

6. Anexos

6.1. Artículo sobre el CTF (Fruits & Légumes) _________________________ 150

6.2. Dosier de homologación de máquinas agrícolas automotrices (MAGA) ___ 152

6.3. Sistema de orugas Soucy Track __________________________________ 149

6.4. Presupuestos Trimble para el guiado del Eole Tract y de las herramientas _ 201

6.5. Proposición técnica y comercial Nav On Time (sistema GPS) __________ 204

6.6. Datasheet de la brújula analógica 1655 Analog Compass (Dinsmore) ____ 218

6.7. Datasheet de la brújula CMPS09 (Robot Electronics) _________________ 231

6.8. Artículo sobre diferentes marcas y modelos de arado (La France Agricole)237

6.9. Fichas técnicas sobre los diferentes neumáticos comparados (Michelin y

Goodyear) ________________________________________________________ 239

6.10. Ficha técnica del grupo electrógeno (SDMO) _______________________ 254

6.11. Presupuesto de la solución eléctrica (MABÉO) ______________________ 257

6.12. Información sobre las ruedas empleadas en la maqueta (Guitel Point) ____ 260

6.13. Datasheet de los motores utilizados en la maqueta (Crouzet) ___________ 263

6.14. Datasheet de las baterías 12V (RS) _______________________________ 268

6.15. Datasheet del láser de posicionamiento (RS) ________________________ 271

6.16. Datasheet del autómata CD20S (Crouzet) __________________________ 274

6.17. Programa de guiado del autómata_________________________________ 280

6.18. Información proporcionada por el software del autómata ______________ 282

6.19. Datasheet de los relés de los motores (Tyco) ________________________ 289

6.20. Presupuesto general de la maqueta ________________________________ 296

6.21. Datasheet de la brújula Revolution GS (True North Technologies)_______ 298

6.22. Información sobre pórtico motorizado Leroy Somer __________________ 301

6. Anexos 149

En este capítulo se recogen todas las informaciones de carácter técnico que se

han utilizado en la realización del presente proyecto (esquemas del prototipo, fichas

técnicas de los diversos componentes, dosier de homologación, presupuestos) e

informaciones complementarias (artículos de prensa) conducentes a ampliar la

información proporcionada en capítulos anteriores.

6.1. Artículo sobre el CTF (Fruits & Légumes)

6.2. Dosier de homologación de máquinas agrícolas

automotrices (MAGA)

6.3. Sistema de orugas Soucy Track

6.4. Presupuestos Trimble para el guiado del Eole Tract y

de las herramientas

6.5. Proposición técnica y comercial Nav On Time

(sistema GPS)

6.6. Datasheet de la brújula analógica 1655 Analog

Compass (Dinsmore)

6.7. Datasheet de la brújula CMPS09 (Robot Electronics)

6.8. Artículo sobre diferentes marcas y modelos de arado

(La France Agricole)

6.9. Fichas técnicas sobre los diferentes neumáticos

comparados (Michelin y Goodyear)

6.10. Ficha técnica del grupo electrógeno (SDMO)

6.11. Presupuesto de la solución eléctrica (MABÉO)

6.12. Información sobre las ruedas empleadas en la

maqueta (Guitel Point)

6.13. Datasheet de los motores utilizados en la maqueta

(Crouzet)

6.14. Datasheet de las baterías 12V (RS)

6.15. Datasheet del láser de posicionamiento (RS)

6.16. Datasheet del autómata CD20S (Crouzet)

6.17. Programa de guiado del autómata

6.18. Información proporcionada por el software del

autómata

6.19. Datasheet de los relés de los motores (Tyco)

6.20. Presupuesto general de la maqueta

6.21. Datasheet de la brújula Revolution GS (True North

Technologies)

6.22. Información sobre pórtico motorizado Leroy Somer