DISEO E IMPLEMENTACIN DE UN ROBOTMVIL AUTNOMO Y TELEOPERADO PARA

LABORES AGRCOLAS.FASE 1:

FUMIGACIN PARA PLANTACIONES DEROSAS

Ivn Andrs Len VsquezAdrin Jonatan Vsquez Tapia

Director: Ing. Hugo OrtizCo-director: Ing. Alexander Ibarra

INTRODUCCIN A LA ROBTICAAGRCOLA

Objetivo General

ObjetivoGeneral

Disear e implementar un robotmvil, autnomo y tele operado queejecute la fumigacin enplantaciones de rosas, utilizandoherramientas y dispositivoselectrnicos, mecnicos einformticos, para que sirva deherramienta a los trabajadoresagrcolas.

Objetivos Especficos

1 Realizar una investigacin tcnica bibliogrfica paraestructurar el marco terico cientfico que fundamente alproyecto.

2 Realizar una investigacin de campo para determinar lascondiciones ptimas necesarias para la implementacindel robot (rea y campo de operacin).

3 Disear e implementar la plataforma mvil, as como lasdistintas piezas y artefactos mecnicos, que influirn en lamovilidad del robot.

Objetivos Especficos

4 Disear e implementar el hardware de control ytrasmisin de datos del robot.

5 Desarrollar una interfaz entre el operador y elrobot, para que sea fcil de operar remotamente.

6 Realizar pruebas de movilidad y fumigacin delrobot en el campo de rosas.

Antecedentes de la Robtica Agrcola

La robtica es la ciencia y latecnologa de los robots, los cualesson un ejemplo bastante completode un sistema artificial inteligente.

La explosin demogrfica hacausado que los empresariosagrcolas, busquen formas de

brindar nuevas herramientas a sustrabajadores.

Varias compaas agrcolas hanbuscado por largo tiempo, la

manera de mecanizar procesosdados los altos niveles de

competitividad que se presentan enel mercado.

Sin embargo muchos proyectos haquedado estancados, dado el altocosto que implica e desarrollo de un

sistema robtico.

Robtica Agrcola

Antecedentes de la Robtica Agrcola

El Ing. Alejandro Meja, admite quenecesita ayuda robtica para la

fumigacin de sus campos, con el finde salvaguardar la integridad fsica,

y biolgica de sus operarios.

La Ing. Amparo de la Vega, indicaque necesita optimizar el tiempo de

sus operarios, dado quegeneralmente este tiempo se gasta

en tareas repetitivas de altodesgaste fsico.

La necesidad de automatizarprocesos en la agricultura como esla fumigacin, constituye un mtodo

para optimizar los niveles deeficiencia tanto de mano de obra.

Optimizar el tiempo de produccin,implica que las compaas de rosas

para exportacin mejoren sueficiencia, generando una mejora

en sus ingresos.

Fumigacin enPlantaciones de

Rosas

Estudio de Procesos y Necesidades en los Camposde Rosas

Fungicida Categora IV

Relacin de Disolucinde Fungicida en AguaBomba y Mangueras deDistribucin

Estudio de Procesos y Necesidades en los Camposde Rosas

Aspersor en Abanico

Rosales Adultos

Separacin de Camas

Estudio de Procesos y Necesidades en los Camposde Rosas

Longitud de Camas

Fumigacin Manual deRosasTraje Protector deFumigacin

SISTEMA MECNICO

Materiales de ConstruccinAluminio

Plstico

Caucho

Arreglo de Ruedas

Giroperpendicular

Desplazamiento enLnea Recta

Control de RuedasIndependiente una de

Otra

Piezas del MotorRuedas Garrucha de Direccin

Acople Motor-Rueda Abrazadera Motor

Piezas del Motorngulo de Sujecin Soporte Aspersores

Plataforma ngulo de Soporte

Piezas del Motor

Caja Aislante

Ecuaciones Cinemticas

= 2 + =

Ecuaciones Cinemticas

Giro a la Izquierda = 22 += 0,39(0,42 2 0,15)0,42 + 2 0,15= , /

Ecuaciones Cinemticas

Giro a la Derecha

= 0,39(0,42 2 0,15)2 0,15 + 0,42= , /= ( 2 )2 +

Representacin

DISEO DE HARDWARE

Etapa de potencia

Primera EtapaAccionamiento Vlvula 1 Resistencia 150 Transistor Tip 31C Diodo 1N5408

Accionamiento bomba sumergible Resistencia 150 Transistor Tip 31C Diodo 1N5408

Accionamiento Vlvula 2 Resistencia 150 Transistor Tip 31C Diodo 1N5408

Elemento CorrienteCalculada

CorrienteMedida

Corrientesoportada porel transistor(Colector)

Errorrelativo

Vlvula 400mA 380mA 3A 5%Bomba 2A 2,2A 3A 10%

Electrovlvulas

Caractersticas TcnicasFluido Aire, agua, gas, aceiteOperacin Accionamiento directoTipo Normalmente cerradoTamao del puerto de entrada 1/4"Presin de operacin 0 ~ 0,7 MPaVoltaje de operacin 12V dcRango de voltaje 10%Rango de operacin de temperatura -5 ~ +80 C

Bomba Sumergible

Caractersticas tcnicas

1 Voltaje de operacin: 12 V2 Corriente consumida: 2 A3 Presin:0,5 ~ 0,6 Mpa4 Caudal: 2 l/min

Segunda Etapa

2 Driver L298Hconfiguracin cascada.

8 Diodos 1n4007. 4 capacitores 100nF.

Valores mximos soportados L298HSmbolo Parmetro Valor UnidadVs Alimentacin 50 VVss Alimentacin lgica 7 VVi,Ven Voltaje de entrada,

Voltaje de habilitacin-0.3 -- 7 V

Io Corriene de salidaPico--Norepetitiva(t=100us)--Repetitiva(80%on20%off,ton=10ms)--Operacin Dc

32.5

2

AA

A

Motores con Moto Reduccin

Caractersticas Tcnicas

Velocidadmxima

150 rpmTorque 14kg/cm

Reduccin 67:1Voltaje deoperacin

12 V dc

Etapa de InstrumentacinMedicin de Distancia Sensores Infrarrojos SHARP

Medicin de DistanciaSensorutilizado

Sensor infrarrojo 2d120xRango demedicin:

4 a 30cmVoltaje de

alimentacin:4.5 ~ 5V

Voltaje desalida:

3.1V(4cm) ~ 0.3V(30cm)Campo dedeteccin:

8

Medicin de distancia

Ventajas Inconvenientes

Cono de deteccinmuy estrecho:Perfecto para

mapear.

Cada uno de lossensores debe sercalibrado porseparado.

Buena resolucin adistancias cortas

Sensible a cambiosclimticos.

Frmulas utilizadas

Medicin de nivel

Etapa de ComunicacinMdulos inalmbricos Xbee

Caractersticas mdulos inalmbricosXbee

1 Alcance: hasta 100 metros en lnea de vista

2 9 entradas/salidas con entradas analgicas y digitales.

3 Bajo consumo

Estndar IEEE 802.15.4

Propiedad Rango

Rango de transmisin 868 MHz: 20kb/s; 915 MHz: 40kb/s; 2.4 GHz: 250

kb/s

Alcance 10 20 m

Canales 868/915 MHz: 11 canales.

2.4 GHz: 16 canales.

Bandas de Frecuencia 868/915 MHz y 2.4 GHz.

Direccionamiento Cortos de 8 bits o 64 bits IEEE

Temperatura El rango de temperatura industrial: -40 a +85 C

Etapa de control

Diagrama de flujo del controlador

Caractersticas Pic18f452Memoria de programa 32kMemoria de datos 1.5kMemoria de datos EEPROM 256bytesFuentes de interrupcin 18Puertos I/O 5Timers 4Mdulos PWM 2Comunicacin serial MSSP,UARTComunicacin paralelo 1 PSPMdulo ADC 8 canales de ingresoEncapsulado 40 pines

Alimentacin

Alimentacion12Vdc

Drivers paramotores

ElectrovalvulasBomba

Alimentacion 5Vdc

Circuito decontrol

Sensoresinfrarojos

Modulo decomunicacion

Xbee

9VdcCamara

inalambrica

DESARROLLO DE SOFTWARE

Programas Utilizados

Programa delControlador

PIC C (CCS)

Programa InterfazHumano Mquina Java, Netbeans

Programa de Basede Datos

MySQL

Lgica de Control

Mtodos Usados

Mtodos Usados

Nivel Adelante Alinea Atrs Izquierda Derecha

Mtodo Nivel

Mtodo Adelante

Mtodo Alinea

Mtodo Atrs

Mtodo Izquierda

Mtodo Derecha

Modo Manual

Modo Manual

Modo Manual

Modo Manual

Modo Automtico

Modo Automtico

Interfaz Humano Mquina

Interfaz Humano MquinaBase de Datos

El motor de base de datos usado esMySQL, por la simplicidad en lassentencias, y por permitir una fcilconexin entre Java y dicho motor.

Tabla deAtributos

Reportes enJava de laBase deDatos

IMPLEMENTACIN

Construccin Mecnica

Construccin Mecnica

Sistema de Fumigacin

Implementacin Elctrica y Electrnica

Implementacin Elctrica y Electrnica El cable adecuado para estas conexiones sedecidi que sea un cable multifilar AWG 22, yaque este cabe soporta sin problemas la cantidadde corriente que suministrara la batera.

Alimentacin

Los motores estn conectados a la placa decontrol por medio de cable solido AWG 25, yaque los motores requieren una gran cantidad decorriente que es entregada por los drivers.

Motores

Para esta seccin se usa el cable de conexin depar trenzado UTP categora 2, ya que este tipode cable se lo utiliza en transmisin de datos debaja tasa de transferencia .

Transmisinde Datos

Implementacin Elctrica y Electrnica

Para la conexin de las vlvulas, se utilizanuevamente el cable AWG 22 multifilar, dadaslas condiciones de corriente que cada uno deestos elementos necesitan, especialmente de labomba de succin cuya corriente nominalbordea los 2 amperios.

Electrovlvulasy Bombas

Los sensores entregan seales analgicas, ytransportan rangos de voltaje entregados pordichos sensores que no tienen gran cantidad decorriente. Por lo cual, no es necesariosobredimensionar estos conectores, y se usa losmismos cables UTP de categora 2 usados en lacomunicacin de datos.

Sensores

Campo de Pruebas

Campo de Pruebas

Esttica

Estado Final de MI-T-NATOR

PRUEBAS Y RESULTADOS

Pruebas

Prueba del Sistema Mecnico

Se la realiz sin controlelectrnico

Plataforma tenda hacia laderecha de forma

considerable con el nivel deliquido bajo

Mientras mas lquido existamenos es la desviacin.

Correccin se realiz demanera electrnica

Pruebas de aspersinNeplos deconexin

Abrazaderas depresinmetlicas

Tefln Sello rosca conadhesivoindustrial

Vlvulas X X X XAspersores X X XT de conexin X X XBombasumergible

X X X

Prueba de sensores de distancia

Prueba de sensores de distancia

Distancia [cm] Voltaje en la Maana [V] Voltaje en la Tarde [V]

0 0 0

10 1.23 1.40

20 0.67 0.80

30 0.41 0.53

Prueba de sensores de distancia

Superficie metlica negra reflexiva,por lo cual, se coloc tiras de papeladhesivo alrededor de las camas.

Prueba de sensores de distancia Grfica de respuesta:

Estabilizar las condiciones lumnicas parasimular de mejor manera las condiciones deun invernadero.

Prueba de sensores de distancia

Sensores de nivel

Dado que en el mercado no se encontraronsensores de nivel a precio accesible, se optpor disear sensores de nivel que aprovechenlas propiedades elctricas del agua.

Conductividad del agua:Agua ultra pura: G=5.5 10-6 S/m (182k).Agua potable: G= 0.005 0.05 S/m (20~200).Agua del mar: G=5 S/m (0,2 ).

Pruebas de los MdulosInalmbricos Xbee Serie 1

Configuracin XCTU

CanalDireccin

Pruebas de alcance Campo abierto

Dentro de un edificio

Cmara inalmbrica

Alimentacin:9~12VFrecuencia detransmisin:900Mhz

Pruebas de la Tarjeta de Control

Pruebas de la Tarjeta de ControlPrueba de comunicacin con los mdulos inalmbricosXbee Comandos en el programa XCTU Verificar datos de los sensores

Prueba de movilidad Modo Manual

Prueba de aspersin Activacin , desactivacin de vlvulas y bomba

Prueba de Interfaz Humano Mquina

Prueba de interfaz humano mquina Seleccin de modo

Controles modo Manual

Prueba de Interfaz Humano Mquina Indicadores de nivel y parada de emergencia

Prueba de Interfaz Humano Mquina Reportes de la Base de Datos:

Prueba de interfaz humano mquinaTECLA ACCION

Flecha Arriba Adelante

Flecha Abajo AtrsFlecha Izquierda Giro Izquierdo

Flecha Derecha Giro Derecho

S Parar

Q Aspersor IzquierdoE Aspersor Derecho

W Ambos Aspersores

R Desactivar Aspersores

RESULTADOS

Modo manual

Modo manual

Modo manualAvanzar Se presiona la tecla

Parar en el punto 4 Cama 1 Se presiona la tecla

Activar aspersor izquierdo Se presiona la tecla Q

Modo manualGiro Izquierda Se presiona la tecla

Desplazamiento hacia adelante ente Cama 1y Cama 2 Se presiona tecla

Ingreso Cama 2 Se presiona tecla

Modo manual

Se ubica en el punto 2 de laCama 2Activar ambos aspersores Se presiona la tecla W

Giro derecho Se ac va la tecla

Modo manual

Desplazamiento Hacia Adelanteentre Cama 2 y Cama 3

Ingreso a Cama 3

Se ubica en el punto 2 de la Cama 3 Activacin Aspersor Derecho con la Letra E

Modo Automtico

Modo Automtico

Modo AutomticoCama1 PWM: 85% ambas ruedas.Activacin de la vlvula izquierda

Funcin alinea hacia la izquierda:PWM rueda derecha: 97%PWM rueda izquierda: 65%Distancia: 10 cm.

Funcin alinea hacia la derecha: PWM rueda derecha: 65% PWM rueda izquierda: 97% Distancia: 15cm.

Modo Automtico

Fin decama 1

Sensor fontallateral

izquierdo nodetectapresencia

PWM ambasruedas: 65%.

Desactivacinde la vlvulaizquierda.

No alinea

Modo Automtico

GiroIzquierdo

1

Sensor frontallateral

izquierdodetectapresencia

PWM ruedaizquierda

(retro):18%.

PWM ruedaderecha:78%.

Distanciamxima degiro:20cm.

Modo AutomticoAdelante hacia giro izquierdo2

PWM ambas ruedas derecha:78%.

Funcin alinea derecha: PWM rueda izquierda: 65%. PWM rueda derecha: 0%. Distancia: 22 cm.

Alinea hacia la izquierda: PWM rueda izquierda:0%. PWM rueda derecha: 65%. Distancia: 20cm.

Modo Automtico

Giroizquierdo

2

Sensor posteriorlateral izquierdo

no detectapresencia

PWM ruedaizquierda(retro):18%

PWM ruedaderecha: 78%

Distanciamxima de giro:

30cm

Modo AutomticoCama2 Activacin de ambas vlvulas.

PWM: 85% ambas ruedas.

Alinea hacia la derecha: PWM rueda derecha: 65%. PWM rueda izquierda:97%. Distancia: 15cm.

Alinea hacia la izquierda: PWM rueda derecha: 97%. PWM rueda izquierda:65%. Distancia: 10cm

Modo Automtico

Fin decama 2

Sensor frontallateral izquierdoo derecho no

detectapresencia

PWM ambasruedas: 65%.

Desactivacin dela vlvulaizquierda.

No alinea

Modo Automtico

Giroderecho

Sensor frontallateralderechodetectapresencia

PWM ruedaderecha

(retro): 18%

PWM ruedaizquierda:

80%.

Distanciamxima degiro: 20cm

Modo AutomticoAdelante hacia giro derecho 2 PWM ambas ruedas: 70%.

Alinea izquierda: PWM rueda derecha:70%. PWM rueda izquierda:0%. Distancia: 19cm.

Alinea derecha: PWM rueda derecha:0%. PWM rueda izquierda:70%. Distancia: 20cm.

Modo Automtico

Giroderecho2

Sensorposterior

lateral derechono detectapresencia

PWM ruedaizquierda: 80%.

PWM ruedaderecha(retro):

80%.

Distanciamxima: 30

cm.

Modo AutomticoCama3 Activacin de vlvula derecha.

PWM: 85% ambas ruedas.

Funcin alinea derecha: PWM rueda derecha: 65%. PWM rueda izquierda:97%. Distancia: 15cm.

Funcin alinea izquierda: PWM rueda derecha: 97%. PWM rueda izquierda:65%. Distancia: 10cm.

Cualificacin de ResultadosPrueba N Resultado

1 Sin colisin2 Sin colisin3 Sin colisin4 Sin colisin5 Sin colisin6 Sin colisin7 Sin colisin8 Sin colisin9 Sin colisin

10 Sin colisinPorcentaje de error 0%

Sector 2

Prueba No Trayectoria 1 Trayectoria 2 Trayectoria 31 Sin colisin Sin colisin Sin colisin2 Sin colisin Sin colisin Sin colisin3 Sin colisin Sin colisin Sin colisin4 Sin colisin Sin colisin Sin colisin5 Sin colisin Sin colisin Sin colisin6 Sin colisin Sin colisin Sin colisin7 Sin colisin Sin colisin Sin Colisin8 Sin colisin Sin colisin Sin colisin9 Sin colisin Sin colisin Sin colisin

10 Sin colisin Sin colisin Sin colisinPorcentaje de

error

0% 0% 0%

Trayectoria 1 3PWM calculado ruedaizquierda%

13 13

PWM implementado ruedaizquierda%

18 18

ErrorRueda izquierda %

5 5

PWM calculado ruedaderecha%

78 78

PWM implementado ruedaderecha%

78 78

Error rueda derecha%

0 0

Cualificacin de ResultadosPrueba N Resultado

1 Sin colisin2 Sin colisin3 Sin colisin4 Sin colisin5 Sin colisin6 Sin colisin7 Sin colisin8 Sin colisin9 Sin colisin

10 Sin colisinPorcentaje de error 0%

Sector 4

Prueba No Trayectoria 1 Trayectoria 2 Trayectoria 31 Sin colisin Sin colisin Sin colisin2 Sin colisin Sin colisin Sin colisin3 Sin colisin Sin colisin Sin colisin4 Sin colisin Colisin Sin colisin5 Sin colisin Sin colisin Sin colisin6 Sin colisin Sin colisin Sin colisin7 Sin colisin Sin colisin Sin colisin8 Sin colisin Sin colisin Sin colisin9 Sin colisin Sin colisin Sin colisin10 Sin colisin Sin colisin Colisin

Porcentaje de error 0% 10% 10%

Trayectoria 1 3PWM calculado ruedaizquierda%

78 80

PWM implementado ruedaizquierda%

80 80

ErrorRueda izquierda %

5 0

PWM calculado ruedaderecha%

18 80

PWM implementado ruedaderecha%

18 80

Error rueda derecha%

0 0

Cualificacin de ResultadosPrueba N Resultado

1 Sin colisin2 Sin colisin3 Sin colisin4 Sin colisin5 Sin colisin6 Sin colisin7 Sin colisin8 Sin colisin9 Sin colisin

10 Sin colisinPorcentaje de error 0%

Cualificacin de resultadosPRUEBA SECTOR 1 SECTOR 2 SECTOR 3 SECTOR 4 SECTOR 5

1 OK OK OK OK OK

2 OK OK OK OK OK

3 OK OK OK OK OK

4 OK OK OK X OK

5 OK OK OK OK OK

6 OK OK OK OK OK

7 OK OK OK OK OK

8 OK OK OK OK OK

9 OK OK OK OK OK

10 OK OK OK X OK

CONCLUSIONS YRECOMENDACIONES

Conclusiones

1El sistema robtico de fumigacin despus de haber sido sometido a pruebas de campo, seencuentra funcional bajo condiciones ideales, dado que este prototipo se encuentra en suprimera fase de desarrollo y se constituye en la base para futuras mejoras.

2Se realiz una investigacin tcnica bibliogrfica, de donde se extrajo informacincientfica, que fundamenta el presente proyecto.

3Se realiz una investigacin de campo que permiti conocer las condiciones bajo las cualesse realiza el proceso de produccin florcola. Evidenciando que los qumicos que se utilizanpara eliminar plagas son altamente txicos, y son en gran medida perjudiciales para la saludde los operarios.

4Se dise una plataforma mvil utilizando elementos mayormente metlicos para darsoporte a todos los componentes que ella posee. Su configuracin es de tres de ruedas enun arreglo diferencial, lo cual permite el giro sobre el propio eje del robot dado el pocoespacio en el que se desplaza.

Conclusiones

5

El diseo de hardware de la plataforma emplea artefactos elctricos y electrnicos quepermiten, a ms de la activacin de sus componentes, elevar la potencia que genera elcontrolador, ya que de esto depende el torque para el desplazamiento y la presin deaspersin en la fumigacin. Por otro lado la transmisin de datos utiliza mdulos serieinalmbricos capaces de comunicarse entre ellos a una distancia de hasta 40 metros, locual es idneo para evitar que el operador este dentro del invernadero en contactodirecto con el fungicida.

6Se concluye que la herramienta de desarrollo informtico Java, constituye una de lasms poderosas plataformas de programacin. Ya que en ella se pudo realizar ladistribucin grafica de controles del robot en la interfaz humano-maquina, y ademscrear una conexin a una base de datos que realice reportes histricos del proceso defumigacin.

7Pese a que los motores que generan el movimiento de la plataforma poseencaractersticas similares, la construccin de ambos es distinta y esto se evidenci en loserrores que se presentaron en el desplazamiento del robot. Traducindose en un desvode la trayectoria rectilnea que debe cumplir la plataforma. Lo que quiere decir, que nose puede construir maquinas similares, con caractersticas idnticas.

Conclusiones

8La distribucin de peso en la plataforma es un aspecto crtico, dado que de esto depende lalocalizacin del centro de gravedad del robot, y esto afecta directamente a la movilidad delsistema, pero ms an a los giros que realiza.

9Es importante decir que la versatilidad del dispositivo controlador 18f452 permitisatisfacer los requerimientos de memoria del programa, toda vez que un microcontroladorregular no habra superado estas expectativas.

10Los drivers L298 en configuracin cascada provocan mayor cantidad de corriente hacia losmotores, lo que se traduce en mayor potencia y torque para movilizar la plataforma,logrando mover los aproximadamente 22 Kg que la plataforma posee en carga mxima

11La tcnica de control ms adecuada para el manejo de motores de corriente continua debaja potencia, es el control proporcional, dado que no se requiere controlar el arranque delos mismos, ms si su velocidad de funcionamiento. Y esto se lo realiza mediante el uso deancho de pulsos configurados digitalmente en el controlador

Recomendaciones

Recomendaciones

1Los elementos de potencia como son los transistores TIP31C y los driver L298, por lapotencia a la que son sometidos, generan una gran cantidad de calor que puede afectar sucorrecto funcionamiento. Por ello es necesario colocar disipadores metlicos para asreducir los fallos provocados por el recalentamiento de estos dispositivos electrnicos.

2Dado que el mtodo de comunicacin y transferencia de energa en el sistema se lo realizamediante cables conductores, se recomienda la colocacin de guas para prevenir contactoscon el lquido fungicida y de esta manera tambin mejorar la esttica del sistema.

3Debido a la reducida visualizacin de la cmara implementada en el modo manual, serecomienda montar otra cmara en la plataforma, para una mejor visualizacin del terrenoy manipulacin de la plataforma.

4El sistema mecnico constituye la columna vertebral de un robot, cualquiera que sea laconfiguracin, en este caso una plataforma mvil. Por ello es indispensable que en futurosproyectos se realice un anlisis exhaustivo del sistema mecnico a fin de minimizar loserrores que se presentaron en el presente proyecto.

Recomendaciones

5 Ya que MI-T-NATOR tiene un peso importante dado sus materiales de construccin,se recomienda implementar un arreglo de poleas entre los motores y las llantas a finde no forzar los ejes, que es un problema constante del diseo actual.

6 Se recomienda implementar un giroscopio digital para los giros de la plataforma yaque dara un control ms fino al momento de desplazarse entre las distintas camas.

7 Para lograr realizar un control de velocidad ms robusto, es recomendableimplementar encoders en las ruedas, de manera que se pueda realizar un mapeopreciso de la superficie sobre la cual el robot debe desplazarse.

8 En un futuro, se puede optar por un control ms robusto de la aspersin, por lo cualse recomienda la implementacin de un sensor de caudal, para que se puedarealizar un control en lazo cerrado y disminuir an ms el desperdicio de fungicida