Signal processing techniques for agro-industrial machinery monitoring

En los últimos tiempos, las técnicas de procesado de señal han ido ganando importancia dentro de numerosas aplicaciones industriales. Estos enfoques orientados al procesado de señal están abriendo nuevas perspectivas en muchas áreas del ámbito agro-industrial, destacando entre ellas la monitorización de maquinaria. El principal objetivo de esta tesis es el diseño, implementación y evaluación de esquemas de procesado de señal específicos que permitan la monitorización de equipamiento agro-industrial en tres sentidos: mantenimiento predictivo, seguimiento de vehículos y equipos de medida. Las técnicas propuestas en esta tesis contribuyen al estado del arte, expandiendo o extendiendo técnicas existentes, e incluso proponiendo esquemas completamente novedosos. La metodología seguida a lo largo de esta tesis, con objeto de alcanzar los objetivos marcados, se puede dividir en cinco etapas: revisión del estado del arte, formulación de hipótesis, desarrollo y evaluación, análisis de resultados y publicación de resultados. En esta tesis se han abordado tres problemas agro-industriales diferentes: mantenimiento predictivo de una cosechadora agrícola, seguimiento cinemático de un vehículo y monitorización del flujo a través de cada una de las boquillas en un pulverizador agrícola. Tres características principales de los métodos propuestos destacan sobre el resto. La primera es que todos los métodos satisfacen los objetivos con una precisión suficiente. La segunda característica es que todos los métodos propuestos conducen a sistemas que son asequibles y baratos. La última característica es la optimización de los métodos, que conduce a menores necesidades computacionales en comparación con otros enfoques existentes. Esta última propiedad hace que estos métodos puedan emplearse en aplicaciones con requisitos de tiempo real. Los resultados obtenidos en esta tesis ofrecen muestras de la capacidad de monitorizar maquinaria agro-industrial ofrecida por los métodos de procesado de señal. Hay dos conclusiones principales que se puede extraer de estos resultados. La primera es que las técnicas de procesado de señal pueden obtener información útil relativa a los problemas agro-industriales abordados. La segunda conclusión es que las soluciones propuestas tienden a proporcionar mayor precisión, mejor relación efectividad-coste y son más fáciles de desplegar, en comparación con otras alternativas existentes.Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones e Ingeniería TelemáticaDoctorado en Tecnologías de la Información y las Telecomunicacione

An Optical Sprayer Nozzle Flow Rate Sensor

Ensuring proper flow rates from each nozzle on an agricultural sprayer has become even more important as advances continue to be made in precision application technology. In this article, we describe the structure and testing of a sensor technology based on optical cross-correlation to determine the flow rate of individual sprayer nozzles. An advantage of this technology is that it does not require that impellers or other components be placed in the flow, which could cause plugging. The only moving part in the entire system is a solenoid used to inject a tracer dye. The objective of this study was to evaluate the ability of this sensor technology to determine volumetric flow rate from a single nozzle as used on an agricultural sprayer system. Tests were conducted at four system pressures (100, 200, 300, and 400 kPa) and with four nozzles in the 80° extended-range flat spray nozzle family to produce different flow rates (from 0.46 to 2.74 L min-1). Thirty-five samples were taken for each test condition. Five randomly selected samples were used to create a calibration curve for the sensor system, and the remaining 30 samples were used for validation of performance. The worst absolute error for flow rate estimation in percent was 7.9%, while the mean absolute error in percent was 1.6% for all measurements. While the flow rate estimates for the XRC8006 nozzle at 100 kPa exhibited bias in the errors, for the rest of the test conditions, the errors were clustered around zero. The overall mean absolute error of 1.6% indicates the capability of this sensor technology to monitor flow rate of individual nozzles. However, the bias in errors in one test condition demonstrate that more testing needs to be conducted with a variety of different nozzle types and sprayer configurations before this sensor technology can be considered applicable for all sprayer applications

LOW COST FLOW SENSING FOR FIELD SPRAYERS

Precisely measuring the flow rate in sprayers is a key technology to precision agriculture. With the development of advanced technologies, the demand for the ability to measure flow rate of individual nozzle has become more important and urgent. This paper investigates the possibility of developing a low-cost flow rate measurement technique. The technique is based on analyzing the acoustic signal from a microphone placed near the nozzle tip. A comparison between acoustic signal and vibration signal was made to study the relations between them. Then several possible locations of the microphone for measuring flow rate were tested and compared, and one has been chosen as the best location. After that, two methods of analyzing data were proposed, one that could better describe the original curve was chosen. With all of that work done, further experiments were conducted on a variety of nozzle tips. The results showed that an acoustic sensor could be used as an indicator of flow rate from a nozzle, but that unique calibrations for different nozzle tips would be necessary

Analysis of fluid velocity inside an agricultural sprayer using generalized linear mixed models

The fluid velocity inside the tank of agricultural sprayers is an indicator of the quality of the mixture. This study aims to formulate the best generalized linear mixed model to infer the fluid velocity inside a tank under specific operational parameters of the agitation system, such as liquid level, circuit pressures, and number of active nozzles. A complex model was developed that included operational parameters as fixed eects (FE) and the section of the tank as the random eect. The goodness of fit of the model was evaluated by considering the lowest values of Akaike''s information criteria and Bayesian information criterion, and by estimating the residual variance. The gamma distribution and log-link function enhanced the goodness of fit of the best model. The Toeplitz structure was chosen as the structure of the covariance matrix. SPSS and SAS software were used to compute the model. The analysis showed that the greatest influence on the fluid velocity was exerted by the liquid level in the tank, followed by the circuit pressure and, finally, the number of active nozzles. The development presented here could serve as a guide for formulating models to evaluate the eciency of the agitation system of agricultural sprayers

Using a GIS technology to plan an agroforestry sustainable system in Sardinia

This study was conducted with the aim to quantify the spread of livestock agroforestry in a Mediterranean ecosystem (island of Sardinia, Italy) and evaluate its sustainability in terms of grazing impact. By using GIS software ArcMap 10.2.2, the map of Sardinia vegetal landscape, obtained by information of Sardinia nature map based on the classification of habitat according to CORINE-Biotopes system, have been overplayed with the map of livestock grazing impact map CAIA developed by INTREGA (spin-off ENEA), to obtain for Meriagos (local agro-silvo-pastoral systems; classified “Dehesa 84.6” according to CORINE-Biotopes system), bushlands and woodlands, the surfaces under grazing and evaluate the extension of overgrazing for each of them

Performance of an Ultrasonic Ranging Sensor in Apple Tree Canopies

Electronic canopy characterization is an important issue in tree crop management. Ultrasonic and optical sensors are the most used for this purpose. The objective of this work was to assess the performance of an ultrasonic sensor under laboratory and field conditions in order to provide reliable estimations of distance measurements to apple tree canopies. To this purpose, a methodology has been designed to analyze sensor performance in relation to foliage ranging and to interferences with adjacent sensors when working simultaneously. Results show that the average error in distance measurement using the ultrasonic sensor in laboratory conditions is ±0.53 cm. However, the increase of variability in field conditions reduces the accuracy of this kind of sensors when estimating distances to canopies. The average error in such situations is ±5.11 cm. When analyzing interferences of adjacent sensors 30 cm apart, the average error is ±17.46 cm. When sensors are separated 60 cm, the average error is ±9.29 cm. The ultrasonic sensor tested has been proven to be suitable to estimate distances to the canopy in field conditions when sensors are 60 cm apart or more and could, therefore, be used in a system to estimate structural canopy parameters in precision horticulture

Aplicación de la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) en el diseño y estudio de pulverizadores hidroneumáticos

INTRODUCCIÓNLa dinámica de fluidos computacional, o su terminología en inglés Computers Fluid Dynamics (CFD), es una técnica de cálculo numérico que permite realizar simulaciones informáticas de flujos de fluidos. En esta tesis se ha empleado esta metodología para el estudio de pulverizadores hidroneumáticos, que es el tipo de equipos mayoritariamente empleados en los tratamientos fitosanitarios de cultivos de frutales y viña. En este trabajo se ha realizado un uso sistemático de la CFD para analizar el comportamiento de los sistemas hidráulicos y neumáticos de las máquinas.Esta tesis está compuesta de una memoria inicial y un compendio de 5 artículos ya publicados en diversas publicaciones internacionales. Los primeros apartados de la memoria justifican la necesidad de la protección de cultivos, describen los tratamientos y maquinas empleadas para este fin, y se explican los fundamentos de la CFD y su aplicación en el ámbito de la maquinaria estudiada.DESARROLLO TEÓRICOEn primer lugar, se ha llevado a cabo un estudio de la agitación dentro del depósito, pues la primera premisa para que el tratamiento sea eficaz es que el producto fitosanitario esté mezclado de forma homogénea con el agua de dilución. Un análisis CFD de las velocidades del líquido dentro del depósito revela información valiosa para el fabricante en cuanto al diseño adecuado del sistema de agitación, de forma más sencilla que un estudio experimental, pero tiene limitaciones en cuanto a la determinación exacta de la velocidad punto a punto. Una simulación bifásica transitoria del proceso de mezcla agua-producto puede revelar información complementaria del sistema de agitación, siendo mejor el diseño cuanto menos tiempo tarde en homogeneizar la mezcla. El apartado 6 de la memoria desarrolla esta vía de investigación que se detalla en los tres primeros artículos publicados.Otra parte fundamental de los pulverizadores hidroneumáticos es su circuito neumático, el cual se encarga de transportar las gotas hasta la planta y agitar la vegetación para mejorar la penetración del producto. El apartado 7 explica la problemática de la modelización en CFD en pulverizadores, de forma complementaria al cuarto artículo publicado en revista y que se adjunta como anejo a la tesis. Se ha encontrado que, si las salidas de aire de la máquina se ubican muy cercanas al cultivo, es necesario implementar la geometría del circuito neumático en el programa CFD para obtener una simulación aceptable del flujo de aire generado, aunque esto sea computacionalmente costoso.El apartado 8 de la memoria aborda la modelización de las plantas en CFD, como paso previo a la simulación de los tratamientos completos, explicados en el apartado 9 y además, en el último artículo que cierra la tesis. Los flujos de aire modelizados con CFD pueden integrarse en otros modelos CFD más generales, que incluyan el cultivo y las boquillas de pulverización. Ajustando los parámetros del tratamiento en las simulaciones se pueden extraer conclusiones sobre su eficiencia. De esta forma, en los análisis realizados para una máquina con bajantes verticales adaptada al viñedo son preferibles las gotas gruesas, las bajas velocidades de avance y los altos caudales de aire, además de una adecuada orientación o incluso la anulación de ciertas boquillas.CONCLUSIONESSe ha demostrado que las metodologías desarrolladas usando CFD son ventajosas frente a los ensayos experimentales en cuanto a tiempo, coste y repetibilidad. Además, pueden aplicarse a cualquier pulverizador hidroneumático incluso antes de construirse, por lo que son una herramienta poderosa tanto para los fabricantes, que pueden mejorar sus diseños, como para los usuarios finales, que pueden recibir información sobre cómo configurar sus máquinas para conseguir un tratamiento óptimo.<br /

Precision Agriculture Technology for Crop Farming

This book provides a review of precision agriculture technology development, followed by a presentation of the state-of-the-art and future requirements of precision agriculture technology. It presents different styles of precision agriculture technologies suitable for large scale mechanized farming; highly automated community-based mechanized production; and fully mechanized farming practices commonly seen in emerging economic regions. The book emphasizes the introduction of core technical features of sensing, data processing and interpretation technologies, crop modeling and production control theory, intelligent machinery and field robots for precision agriculture production