Trabajo de Investigación TecnológicaEste documento contiene el diseño y fabricación de una plataforma robótica orientada específicamente para cultivos de tomates tipo Cherry. Su programación se realiza en el lenguaje de programación C++ para microcontroladores (PIC); teniendo como periféricos dos sensores infrarrojos y como actuadores dos motor-reductores, una motobomba e inyectores. Las variables a tomar en cuenta son la edad y las dimensiones del siembro ya que son directamente proporcional a la autonomía eléctrica del recorrido; con ello se garantiza la dosificación correcta y regulación de energía utilizada por parte de las baterías. Como resultado se logró una maquina versátil capaz de dosificar el herbicida de manera óptima en diferentes siembras de tomate.RESUMEN
INTRODUCCIÓN
1. GENERALIDADES
2. METODOLOGÍA
3. DISEÑO METODOLÓGICO
4. PRUEBAS Y RESULTADOS
5. CONCLUSIONES
6. RECOMENDACIONES
BIBLIOGRAFÍA
ANEXOSPregradoIngeniero Electrónic

Rodríguez-Pulido, Edwin Andrés

Zabala-Meneses, Martín Esteban

Trabajo de Investigación TecnológicaEste documento contiene el diseño y fabricación de una plataforma robótica orientada específicamente para cultivos de tomates tipo Cherry. Su programación se realiza en el lenguaje de programación C++ para microcontroladores (PIC); teniendo como periféricos dos sensores infrarrojos y como actuadores dos motor-reductores, una motobomba e inyectores. Las variables a tomar en cuenta son la edad y las dimensiones del siembro ya que son directamente proporcional a la autonomía eléctrica del recorrido; con ello se garantiza la dosificación correcta y regulación de energía utilizada por parte de las baterías. Como resultado se logró una maquina versátil capaz de dosificar el herbicida de manera óptima en diferentes siembras de tomate.PregradoIngeniero ElectrónicoRESUMEN
INTRODUCCIÓN
1. GENERALIDADES
2. METODOLOGÍA
3. DISEÑO METODOLÓGICO
4. PRUEBAS Y RESULTADOS
5. CONCLUSIONES
6. RECOMENDACIONES
BIBLIOGRAFÍA
ANEXO

Repositorio Institucional Universidad Católica de Colombia

Desarrollo de sistema autónomo y Prototipo robótico para fumigación de cultivos de tomate Edwin Andrés Rodríguez Pulido (701858) Martin Esteban Zabala Meneses (701769) Universidad católica de Colombia, Bogotá earodriguez58@ucatolica.edu.co mezabala69@ucatolica.edu.co  Abstract- This document contains the design, development and manufacture of a robotic platform oriented to the specific use of fumigation in tomato crops. Using C programming, microcontrollers, sensors and actuators, a reliable system is achieved to carry out agricultural fumigation with sustainable development.  I. PALABRAS CLAVE Automatización, Fitosanitario, Hortaliza, Plaga y Pesticida.  II. INTRODUCCIÓN El tomate es una hortaliza muy importante en Latinoamérica y especialmente en Colombia, su alta calidad nutricional y masiva producción en el país hace que sea un artículo necesario en la canasta familiar, de ahí la importancia de que el fruto sea bien tratado y libre de cualquier patógeno. Las enfermedades y plagas en estos cultivos son problemas de gran importancia por ello se toman medidas para evitar riesgos con el cultivo y la producción. Una de estas medias es la constante fumigación de las plantas, pero algunas de estas prácticas no son totalmente efectivas por el sobre gasto de los químicos. El uso de un traje es especialmente común para la protección en el contacto directo con el herbicida pero este no es el problema si no la exageración de los químicos en la fumigación de la planta, haciendo que muchas veces a largo plazo las personas pueda contraer enfermedades por la sobrepoblación de químico en un cultivo. Con la intención de evitar el daño en la fruta y enfermedades en las personas por parte de este químico, la agricultura de precisión tiene diferentes aplicaciones que evitan el contacto de la mano de obra en este tipo   de labor en la aplicación del insecticida, además genera mayor exactitud y control en la cantidad de la aspersión del químico, por esa razón la rama de ingeniería electrónica y telecomunicaciones ha mejorado la gestión de los cultivos, su funcionalidad  mecánica e instrumental a fin de ser una alternativa en el campo de la agricultura.  Gracias a la rama de ingeniería electrónica y telecomunicaciones muchos cultivos mejoran su producción por la efectividad que trae automatizar un cultivo para incrementar la velocidad en la producción, recolección, fumigación, etc. Un control mecánico en cualquier tipo de hortaliza genera ahorros y mayores ingresos al agricultor, sin embargo en los pequeños  cultivos las personas no cuentan con los bienes necesarios para adquirir estos dispositivos por lo que a la mano de obra los vuelve más propensos a sufrir enfermedades por el contacto de fumigadores.   Esto conlleva a proponer una solución automatizada económicamente accesible y de funciones de dosificación automática que facilite el uso de técnicas de fumigación en un cultivo de tomates.  III. OBJETIVOS Objetivo General  Diseñar una plataforma robótica para fumigación en cultivos de tomate.  Objetivos específicos   Identificar las necesidades de fumigación con relación a las etapas de crecimiento.  Determinar las características de diseño de la plataforma móvil.  Construcción del prototipo funcional con navegación y fumigación autónoma.  IV. JUSTIFICACION Los modos de fumigación tradicionales son costosos y operan con un uso indiscriminado de agroquímicos a los cultivos; con ello contaminan los suelos, los frutos de las plantas y atentan contra la salud del que los aplica. Este proyecto busca proteger al agricultor y al cultivo, utilizando una plataforma móvil capaz de suministrar el herbicida básico a la planta sin necesidad  de tener un operario cerca. El método ayudara a evitar contraer enfermedades por la manipulación directa con los químicos a la hora de aplicarlos, o también por intoxicación del  fruto por exceso de herbicidas, dañando la salud del consumidor a largo plazo. Ahorra tiempo y mano de obra  utilizada en la labor, ayudando al sector agrario a ser más productivo  V. METODOLOGIA El proyecto tiene como punto de partida el desarrollo de un sistema robótico que facilite las tareas de fumigación en los cultivos de tomate, sin embargo, los sistemas robóticos son poco utilizados en Colombia por sus costos elevados, por esto acuden a otras alternativas más rudimentarias. Realizar un sistema electrónico que cumpla con las funciones de fumigación dosificada con una plataforma robótica que le permita la navegación autónoma a un precio asequible, con una buena precisión y con materiales reciclables fueron los parámetros para realizar una búsqueda de información sobre posibles sistemas existentes en Colombia o Internacionalmente en los cuales se pueda diseñar basado en procesos ya existentes. Identificando su forma física y geométrica para determinar el tipo de sensores, motores y mecanismos físicos.   Los sistemas robóticos encontrados en Latinoamérica muestran un diseño pequeño a comparación de los tradicionales, los cuales están basados en tractores con un sistema de mangueras para drenar el líquido. Estas estructuras son de metal con dimensiones específicas para espacios reducidos y sistemas automáticos que controlan diferentes actuadores, sensores y motores, capaces de mover estructuras pesadas que realizan el trabajo de   aspersión de líquidos. Estos modelos encontrados se han implementado en cultivos similares a los de tomate, por ello el diseño tomara procesos existentes usando materiales reciclables en la medida de lo posible para disminuir los costos de implementación y que presten los mismos beneficios enfocados a plantaciones de tomate tipo “cherry”. La planta de tomate tipo “cherry” se cultiva en espacios reducidos como lo son los invernaderos, estos cultivos tienen una geometría reducida que generalmente son cuadradas  o rectangulares. Estas características nos delimitan las medidas del prototipo a utilizar, el cual debe ser aproximadamente a las medidas de una persona que lleve un tanque con el herbicida para que pueda movilizarse en medio de los surcos del cultivo.   El peso en los prototipos existentes oscila entre los 40 a 80 kilogramos en promedio, esto se debe a los materiales que se usan en la construcción del chasis mecánico y los diferentes periféricos que utilizan para realizar las tareas asignadas. La plataforma robótica implementada para la tarea programada en los cultivos de tomate tiene un limitante de peso, por lo cual no debe sobrepasar los 60 kilogramos, puesto que puede deformar algunas partes de los surcos y por ello afectar el crecimiento de la planta.  Conociendo las características de los modelos existentes, se analiza las señales necesarias para controlar el proceso de fumigación y navegación de la plataforma móvil. Para la navegación se utilizan motores a 24v los cuales están aislados de la parte de control por unos drivers de motor dc, que son regulados mediante una señal PWM generada por un PIC en el intervalo de tiempo necesario. Este mismo microcontrolador genera otra señal PWM con diferente ciclo de trabajo para el control de los inyectores, los cuales son los encargados de realizar la aspersión del agroquímico a las plantas.  La programación realizada al micro controlador PIC se realiza bajo el lenguaje en C++, el cual genera diferentes señales PWM en distintos ciclos de trabajo para el control de los motores e inyectores. También controla los sensores de la plataforma móvil. En este caso son dos sensores ultrasonido encargados de verificar si existe algún obstáculo enfrente o al lado que le imposibilite realizar los giros programados en la ruta.   En el entorno en las plantaciones de tomate tipo “cherry”, se encuentra una estructura repetitiva del siembro de las plantas, por ello se puede determinar una ruta preestablecida que el robot recorrerá, esta ruta es programa en el microcontrolador para la marcha de los motores con sus respectivos tiempos; además de ello se encuentra que el terreno donde se realiza la plantación es de difícil recorrido para este tipo  maquina por ello se dota de un sistema de oruga el cual permitirá un recorrido más seguro y firme para todo el sistema robótico.  El sistema de llantas se realiza utilizando materiales reciclables como cadenilla y platos de bicicleta. Con ello reduciendo el costo en materiales y ayudando al medio ambiente en la reutilización de materiales. Estos componentes se alistan y soldán a los motores fijados previamente a la estructura metálica, la cual contendrá las baterías, sistemas de control, bomba de inyección, sistema de inyección de herbicidas y tanque de almacenamiento.  Los modos de fumigación tradicionales son costosos y operan con un uso indiscriminado de agroquímicos a los cultivos; con ello contaminan los suelos, los frutos de las plantas y atentan contra la salud del que los aplica. Este proyecto busca proteger al agricultor y al cultivo, utilizando una plataforma móvil capaz de suministrar el herbicida básico a la planta sin necesidad  de tener un operario cerca. El método ayudara a evitar contraer enfermedades por la manipulación directa con los químicos a la hora de aplicarlos, o también por intoxicación del  fruto por exceso de herbicidas, dañando la salud del consumidor a largo plazo. Ahorra tiempo y mano de obra  utilizada en la labor, ayudando al sector agrario a ser más productivo   VI. DISEÑO METODOLOGICO  Durante el proceso de diseño se recolecto la información para realizar diferentes modelos que se acomodaran a las características que la plataforma robótica requiere.  Un modelo de ellos es separar la parte mecánica con la eléctrica para poder observar a más detalle cuales son los campos que se necesitan trabajar. Para realizar el modelo de la plataforma robótica, se calcula las dimensiones del robot conforme a las dimensiones del cultivo. Se obtienen las medidas y con ello se realiza la estructura metálica con el peso indicado para dicho trabajo   Las siguientes imágenes son el modelo obtenido en el programa solidworks 2016 ®  y el modelo metálico final. (véase la figura No 1)  Figura No 1. Diseño en plaforma SolidWorks 2016 ® (vista isométrica)  Después de obtener el modelo mecánico, se escogió el sistema de riego el cual implementa la reutilización de inyectores de automóvil, los cuales trabajan a una amplitud de 12 V a 750 miliamperios. (Véase figura No 2.)  Figura No. 2 Inyectores. Se realiza la elección de los motores según las características necesarias de diseño, las cuales son poder mover entre uno o más motores el peso de 50 o 60 kilos de peso, por ello se eligen los siguientes motores que trabajan a 24V y 1 Amperio de corriente (Véase la figura No 3).  Figura No. 3 Moto-reductor 24V 1 A. Para la parte de control se realiza la programación del micro controlador, obedeciendo una jerarquía. (véase la figura No. 4   Figura No. 4 Mapa conceptual- Jerarquía de micro controlador Los microcontroladores se programan bajo el lenguaje de programación C, con el programa Pic C Compiler versión 5 ® y se simularon en el programa  Proteus 8.1 ® en el cual también se realizó el diseño de los PCB. La parte de potencia se resolvió mediante módulos de corriente, uno accionado por los timers del microcontrolador y el otro por la señal PWM que controla los motores DC. CONCLUSIONES 1. Se obtuvo un sistema capaz de fumigar en tres clases de etapas de crecimiento en cultivos de tomate (Temprana, media y adulta), con la utilización de un riel de inyectores los cuales mediante un ajuste mecánico se puede obtener un riego a la altura deseada. 2. Con la utilización de boquillas tipo cono se realizan mejor la aplicación de herbicidas en espacios reducidos, aclarando que tiene una dependencia al tipo de herbicida que se esté aplicando, puesto que si la mezcla es gruesa puede afectar el funcionamiento de la boquilla o el inyector. 3. Para tipos de terrenos con pisos lodosos y que no sean planos es aconsejable trabajar con estructuras que tengan instalados sistemas de oruga o llantas (Tipo tractor) que permitan una altura suficiente entre la estructura y el piso en el que se esté trabajando.  4. El modelo final está caracterizado en modelos similares que realizan trabajos en el área de la agricultura. Adaptado a las medidas generales de los cultivos de tomate, consiguiendo una estructura firme y con espacios para la instalación de los periféricos necesarios para realizar la tarea de la aplicación de agroquímicos y disposición para futuras actualizaciones al sistema. 5. La implementación de las señales PWM para el control de los motores y los inyectores, facilitaron las pruebas en terreno puesto que se podía variar las velocidades y encontrando el ciclo de trabajo que se necesitaba en cada uno de los casos para que la plataforma realizara la tarea de manera óptima. 6. Se construyó un prototipo el cual realiza el trabajo de fumigación mediante la regleta de inyectores a las platas; cumple con las medidas de los diseños, aunque no dispone de una navegación completamente semiautónoma, puesto que realizo la navegación del prototipo basado en una conversión de tiempos para determinar una distancia y no se logró completamente la navegación dependiente de los sensores de presencia, banderas electrónicas, puntos GPS, entre otros para realizar la navegación. 7. Los terrenos con condiciones de fango o humedad, que presente terrenos inestables o que no son completamente planos, hacen que la navegación planteada de la conversión de tiempos para la determinación de la distancia a recorrer falle, puesto que hay condiciones en el recorrido (deslizamientos de la plataforma, perdida de tracción de las llantas, desviaciones de la ruta) que hacen que el método propuesto no sea el más acertado para una navegación semiautónoma.  VII. BIBLIOGRAFIA   AGRO HUERTO. Tomate: Plagas y Enfermedades [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado 20 abril, 2017]. Disponible en Internet: <URL: https://www.agro huerto.com/tomate-plagas-y-enfermedades-comunes/>  ALBIZ. Herbicida electivo [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado 20 abril, 2017]. Disponible en Internet: <URL: https://www.jica.go.jp/project/panama/0603268/ materials/pdf/04_manual/manual_04.pdf>  ASOCIACIÓN DE HORTICULTORES DE COLOMBIA. Plan Hortícola Nacional. Bogotá: ASOHOFRUCOL, 2010. 125 p.   ASOCIACIÓN DE LA INDUSTRIA ELÉCTRICA-ELECTRÓNICA, AIE. Actuadores [en línea].  Santiago de Chile: La Asociación [citado 20 abril, 2017].  Disponible en Internet: <URL: http://www.aie.cl/files/file/comites/ ca/abc/actuadores.pdf>  BECHAR, Avital y VIGNEAULT, Clement. Agricultural robots for field operations: Concepts and components. En: Biosystems Engineering. Febrero – marzo, 2015. vol. 149.  BOLETÍN AGRARIO. Fitosanitario [en línea].  Bogotá: La Empresa [citado 20 abril, 2017]. Disponible en Internet: <URL: https://boletinagrario.com/ap-6,fitosani tario,960.html>  BOTBOSS. Tutorial arduino medir distancia con sensor ultrasónico [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado 20 abril, 2017]. Disponible en Internet: <URL: http://bot-boss.com/tutorial-arduino-medir-distancia-sensor-ultrasonico-hc-sr04/>  CÁMARA DE COMERCIO DE BOGOTÁ. Programa de apoyo y agroindustrial vicepresidencia de fortalecimiento empresarial. Bogotá: Cámara de Comercio, 2015. 89 p.  CONTACTO RURAL. Control Biológico de Pulgones en Pimiento Bajo Cobertura [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado 20 abril, 2017]. Disponible en Internet: <URL: https://contactorural.wordpress.com/2012/07/11/control-biologico-de-pulgo nes-en-pimiento-bajo-cobertura/>  CULTIVO DEL TOMATE. Pulgones en los tomates [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado 20 abril, 2017]. Disponible en Internet: <URL: http://cultivodeltomate.es /pulgones-tomates>    

Desarrollo de sistema autónomo y prototipado robótico par fumigación de cultivos de tomate

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